JP2006057938A - スターリング冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体を還流させる流路においてキャビテーションの発生を防止することができるスターリング冷却庫を提供する。
【解決手段】 放熱部１１と吸熱部１２とを有するスターリング冷凍機１３と、放熱部１１に設けられ、熱媒体Ａを蒸発させて放熱部１１を冷却する高温側蒸発器１４と、高温側蒸発器１４に接続され熱媒体Ａが流れる熱媒体流路１５と、熱媒体流路１５に設けられ熱媒体Ａを加圧するポンプ１６と、高温側蒸発器１４とポンプとの間に設けられ、液状の熱媒体と、液状の熱媒体に混入したガス状の熱媒体とを分離する気液分離部としてのタンク１７とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スターリング冷凍機の放熱部に接続される熱媒体循環回路（二次冷媒循環回路）を具備したスターリング冷却庫に関し、更に詳しくは、熱媒体を循環させる循環ポンプにおけるキャビテーションの発生を防止する熱媒体循環回路に関する。

従来から、冷却庫の一例として、スターリング冷凍機を備えたスターリング冷却庫が知られている。スターリング冷凍機は、吸熱部と放熱部とを備えており、放熱部から放出される熱を冷却庫外表面の露付き防止に利用することができる。放熱部からの熱を露付き防止のために利用した例が、例えば特開２０００−２０５６８２号公報に記載されている。

特開２０００−２０５６８２号公報に記載されているスターリング冷却庫は、放熱部に設けられ熱媒体を蒸発させることにより放熱部を冷却する放熱器と、冷却庫本体の前面開口部に配置され加熱された熱媒体が流通する露付き防止配管と、熱媒体を循環させるポンプとを備えている。このスターリング冷却庫においては、放熱器内にて熱媒体が蒸発し、放熱部を冷却する。このため、露付き防止配管内を流通する熱媒体は、液体状の熱媒体に気体状の熱媒体が混在した状態となっている。そして、加熱された熱媒体が配管内を流通して、ドアパッキン配設部分を加熱することにより、ドアパッキン配設部分に露が生じることを防止するようになっている。
特開２０００−２０５６８２号公報

ところで、上記従来のスターリング冷却庫においては、気体状の熱媒体が混在した状態の液体状の熱媒体がポンプにより加圧されると、ポンプにおいてキャビテーションが生じるという問題があった。特に、高温側蒸発器内においては、熱媒体が蒸発することにより、熱媒体の液面が上下に揺動し、高温側蒸発器に接続された露付き防止配管内に気体状の熱媒体が入り込みやすく、ポンプにおけるキャビテーションが生じ易くなる。本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、熱媒体を循環させる熱媒体循環回路（二次冷媒循環回路）の循環ポンプにおけるキャビテーションの発生を防止することができるスターリング冷却庫を提供することを目的とする。

本発明に係るスターリング冷却庫は、１の局面では、放熱部と吸熱部とを有するスターリング冷凍機と、放熱部に設けられ、熱媒体を蒸発させて放熱部を冷却する高温側蒸発器と、高温側蒸発器に接続され熱媒体が循環する熱媒体循環回路と、熱媒体循環回路に設けられ熱媒体を循環させるポンプと、高温側蒸発器とポンプとの間に設けられ、液状の熱媒体と液状の熱媒体に混入したガス状の熱媒体とを分離する気液分離体（気液分離タンクあるいは気液分離パイプ）とを備える。上記気液分離体は、好ましくは高温側蒸発器の側方に設けられ、高温側蒸発器の液状熱媒体上面位置が変動するのを抑制するように設けられている。上記熱媒体循環回路は、好ましくは気液分離体との高温側蒸発器との間に設けられ熱媒体を流通させる第１連結管路と、ポンプと気液分離体との間に設けられ熱媒体を流通させる第２連結管路とを含み、第１連結管路は、気液分離体内と高温側蒸発器内とに挿入され、第１連結管路の気液分離体内の開口端部は、好ましくは高温側蒸発器内の開口端部より下方に配置されている。上記気液分離体内における第１連結管路の開口端部を、好ましくは気液分離体内における第２連結管路の開口端部よりも上方に配置する。そして好ましくは上記気液分離体内における第１連結管路の開口が、気液分離部体内における第２連結管路の開口端から離れる向きにして第１連結管路を配置する。更に好ましくは、上記ポンプを気液分離体より下方に位置させる。冷却空間を規定する壁部に上記第２連結管路
を埋設する。上記第２連結管路は発露防止管路として機能させるとよい。

なお、本明細書において、「冷却庫」とは、冷凍および冷蔵の双方を含めた概念として用いる。つまり、冷却庫は、冷却の対象となる空間を外気よりも低い温度にする全てのものをいうものと定義する。また、冷却庫には、冷凍冷蔵庫が含められる。冷凍冷蔵庫とは、対象物を冷凍させる冷凍庫と、対象物を冷凍させることはないが、対象物の周囲空間を外気よりも低い温度に保持する冷蔵庫との双方を有する冷却庫のことである。

本発明によれば、熱媒体循環回路の高温側蒸発器とポンプとの間に気液分離体を設けることでポンプにおけるキャビテーションの発生を防止することがでできる。

以下、図１、図２を用いて、本発明の実施の形態１について説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明に係るスターリング冷却庫１０の配管系統図である。図１に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷却庫１０は、放熱部１１と吸熱部１２とを有するスターリング冷凍機１３と、放熱部１１に設けられ、熱媒体Ａを蒸発させて放熱部１１を冷却する高温側蒸発器１４と、高温側蒸発器１４に接続され熱媒体Ａが流れる熱媒体流路１５と、熱媒体流路１５に設けられ熱媒体Ａを加圧するポンプ１６と、高温側蒸発器１４とポンプ１６との間に設けられ、液状の熱媒体Ａ１と、液状の熱媒体Ａ１に混入した気体状（ガス状）の熱媒体Ａ２とを分離するタンク１７とを備えている。

高温側蒸発器１４には、高温側蒸発器１４内の熱媒体Ａを冷却する高温側凝縮器１８が設けられている。なお、図１の例では、高温側凝縮器１８の近傍には、ファン１９が設けられているが、省略可能なものである。熱媒体流路１５は、タンク１７と高温側蒸発器１４との間に設けられ熱媒体Ａを流通させる連結管路（第１連結管路）３０と、ポンプ１６とタンク１７との間に設けられ熱媒体Ａを流通させる連結管路（第２連結管路）３１とを含む。また、熱媒体流路１５は、ポンプ１６より下流側に配置された発露防止管路４０と、この発露防止管路４０の下流側に配置された二本の発露防止管路３２、３３と、高温側凝縮器１８とタンク１７とを連結する連結管路３５とを備える。スターリング冷凍機１３の吸熱部１２には、低温側凝縮器３６が設けられており、低温側凝縮器３６には、冷却庫内等に配置される冷却機（低温側蒸発器）３７が設けられている。なお、図１の例においては、冷却器３７の近傍には、冷却用ファン３８が設けられていることが好ましい。

図２に、本実施の形態１に係るスターリング冷却庫１０の概略構成図を示す。図２に示すように、本実施の形態１におけるスターリング冷却庫１０には、スターリング冷却庫１０内にて冷気が送り込まれる空間を規定する壁部Ｂが設けられている。この壁部Ｂにより、被冷却物を収納する複数の被冷却物収納室が形成されている。具体的には、低温に設定され種々の食品を収納可能な冷蔵室４１と、冷蔵室４１よりも低温に設定され食品等を冷凍可能な冷凍室４２とが形成されている。なお、図２には、冷蔵庫４１および冷凍庫４２は、各々一つずつ設けられているが、各々複数設けられていてもよい。スターリング冷凍機１３は、スターリング冷凍庫１０本体の略中央部付近に設置されている。高温蒸発器１４は、筒状に構成されており、その中央部には、スターリング冷凍機１３の放熱部１１が嵌め込まれている。また、高温蒸発器１４内の下方から略中央部付近には、液状の熱媒体Ａ１が満たされており、高温側蒸発器１４内の略中央部付近から上方には、気体状の熱媒体Ａ２が満たされている。なお、高温側蒸発器１４の容量は、例えば、２０００ｃｃ程度とされている。

タンク１７は、高温側蒸発器１４の側方に配置されており、タンク１７の容量は、３０００ｃｃ程度とされている。タンク１７の上端部は、高温側蒸発器１４の上端部に略一致させられており、タンク１７の下端部は、高温側蒸発器１４の下端部より僅かに下方に位置させられている。タンク１７の下方から略中央部付近には、液状の熱媒体Ａ１が満たされており、タンク１７の略中央部付近から上方には、気体状の熱媒体Ａ２が満たされている。なお、図２に示された例では、タンク１７は、上下方向に延びる筒状体に構成されているが、これに限られない。すなわち、タンク１７は、液体状の熱媒体Ａ１と気体状の熱媒体Ａ２とが混在する熱媒体Ａを気液分離する機能を発揮するものであればよい。連結管路３０の一方の端部は、高温側蒸発器１４の底面に接続されており、連結管路３０の他方の端部は、タンク１７の底面より僅かに上方の位置に接続されている。連結管路３０は、タンク１７内において、下方から上方に向けて延在しており、連結管路３０の開口端部は、上方に向けて配置されている。

このように、連結管路３０がタンク１７内にて下方から上方に向けて配置されている一方で、連結管路３１の開口端部がタンク１７の底面に配置されているため、連結管路３１の開口端部と連結管路３０の開口端部とは、互いに離間するように配置されている。なお、連結管路３０と連結管路３１との開口端部は、互いに離間するように配置されておればよく、本実施の形態の配置関係に限られない。連結管路３０の高温側蒸発器１４内の開口端部は、高温側蒸発器１４の底部より僅かに上方に位置させられており、連結管路３０のタンク１７内の開口端部は、連結管路３０の高温側蒸発器１４内の開口端部より下方に配置されている。

ポンプ１６は、タンク１７の下方に配置されている。このため、ポンプ１６とタンク１７とを連結する連結管路３１は、上方から下方に向かって延在するように配置されている。したがって、連結管路３１内の熱媒体Ａは、ポンプ１６側に向かうにしたがい、漸次自重がかかることになり、熱媒体Ａの圧力が漸次高くなる。そして、熱媒体Ａの圧力は、ポンプ１６付近において、タンク１７とポンプ１６との高さ方向分の自重分の自重に連結管路３１内の内圧を付加した圧力となる。また、連結管路３１は、スターリング冷却庫１０の背面を構成する壁部Ｂ内に埋設されている。発露防止管路４０は、冷凍室４２の底面周縁部に配置され、スターリング冷却庫１０の背面側にて発露防止管路３２と発露防止管路３３とに分岐する。発露防止管路３２は、冷凍室４１のドア枠に沿って配置されており、冷凍室４１のドアパッキン当接部に配置されている。発露防止管路３３は、冷蔵室４２のドア枠に沿って配置されており、冷凍室４１のドアパッキン当接部に配置されている。この発露防止管路３２と発露防止管路３３とは、ドアパッキン当接部より下流側にて合流して、高温蒸発器１４に接続されている。

このように構成されたスターリング冷却庫１０においては、熱媒体Ａは、まず、高温側蒸発器１４内にて、放熱部１１から熱を奪い、放熱部１１を冷却すると共に、熱媒体Ａの一部が蒸発する。高温側蒸発器１４内にて液体状の熱媒体Ａ１の液面は、熱媒体Ａの蒸発の程度により上下に揺動する。この際、タンク１７は高温側蒸発器１４の側方に配置されているため、液状の熱媒体Ａ１がタンク１７と高温側蒸発器１４との間を容易に出入りする。このため、高温側蒸発器１４内の熱媒体Ａの液面が下方に変位した場合には、タンク１７内の熱媒体Ａが高温側蒸発器１４内に流入して、高温側蒸発器１４内の熱媒体Ａの液面を上昇させる。すなわち、タンク１７内の液状の熱媒体Ａ１が高温側蒸発器１４内に入り込むことにより高温側蒸発器１４内の熱媒体Ａの液面が低くなることを抑制する。このため、高温側蒸発器１４内にて、熱媒体Ａの液面が連結管路３０の開口端部に近接することが防止され、連結管路３０内に気体状の熱媒体Ａ２が入り込むことが防止されている。

タンク１７内の連結管路３０の開口端部が高温側蒸発器１４内の開口端部より下方に配置されている。このため、熱媒体Ａは、高温側蒸発器１４側からタンク１７側に良好に流通する。タンク１７内において、気体状の熱媒体Ａ２はタンク１７の上方に溜まる一方で、液体状の熱媒体Ａ１はタンク１７の下方に溜まる。このため、タンク１７内で気体状の熱媒体Ａ２と液体状の熱媒体Ａ１とは分離される。そして、液状の熱媒体Ａ１は、タンク１７の底面に配置された連結管路３１によりタンク１７から排出される。このように、熱媒体Ａは、タンク１７内にて気液分離されるため、連結管路３１により排出される熱媒体Ａには、気体状の熱媒体Ａ２が混入し難くなっている。また、気体状の熱媒体Ａ２が連結管路３０の開口端部からタンク１７内に流入した際には、連結管路３０の開口端部が上方に向けて配置されているため、直にタンク１７の上方に向かう。さらに、タンク１７内においては、連結管路３０の開口端部が連結管路３１の開口端部から離間するように配置されているため、連結管路３０から流入する気体状の熱媒体Ａ２が連結管路３１内に流入することが防止されている。タンク１７の上方に溜まった気体状の熱媒体Ａ２は、タンク１７の外部の空気により冷やされて液化する。

連結管路３１を流通する熱媒体Ａは、飽和状態となっているが、連結管路３１を流通する間に、スターリング冷却庫１０内の冷気により冷却され、過冷却状態とされる。このため、連結管路３１内を流通する熱媒体Ａ内に気体状の熱媒体Ａ２が混入した場合においても、液化される。また、熱媒体Ａの圧力は、ポンプ１６に向かうにしたがって漸次上昇するため、熱媒体Ａの凝縮温度が漸次低くなり、連結管路３１内に含まれる気体状の熱媒体Ａ２が液化する。このため、ポンプ１６に流入する熱媒体Ａは、気体状の熱媒体Ａ２が殆んど含まれていない状態となる。

このような、スターリング冷却庫１０によれば、タンク１７においては、熱媒体Ａを気液分離して、液体状の熱媒体Ａ１を連結管路３１からポンプ１６に流すため、ポンプ１６内に気体状の熱媒体Ａ２が流入し難く、キャビテーションの発生を防止することができる。

また、高温側蒸発器１４内の熱媒体Ａの液面が連結管路３０の開口端部に近接することが防止されているため、連結管路３０内に気体状の熱媒体Ａ２が流入し難く、ポンプ１６内に気体状の熱媒体Ａ２が流入し難くなり、キャビテーションの発生を防止することができる。

その上、連結管路３１を流通する熱媒体Ａは、連結管路３１を流通する間に過冷却状態とされるため、ポンプ１６内に気体状の熱媒体Ａ２が流入し難く、キャビテーションの発生を防止することができる。また、ポンプ吸い込み口付近においては、熱媒体Ａの圧力は高く、含まれている気体状の熱媒体Ａ２は液化し易いため、ポンプ１６内に気体状の熱媒体Ａ２が流入し難く、キャビテーションの発生を防止することができる。その上、高温側蒸発器１４内の熱媒体Ａの液面がスターリング冷凍機１３の放熱部１１から離間することが防止されているため、熱媒体Ａが放熱部１１を冷却する機能を確保することができる。

さらに、ポンプ１６内に気体状の熱媒体Ａ２が流入し難いため、ポンプ１６の循環性能も向上させることができる。なお、熱媒体流路１５内に気体状の熱媒体が流入し難いため、液状の熱媒体Ａ１を発露防止管３２、３３内でポンプ１６により強制的に循環させることができ、発露防止機能も向上させることができる。

（実施の形態２）
図３を用いて、本発明の実施の形態２について説明する。図３に示されるように、タンク１７とポンプ１６とを連結する連結管路３１は、タンク１７から下方に向かう連結管路３１ａと、スターリング冷却庫１０の底面と側面との交差稜線部付近に配置された連結管路３１ｂと、冷凍室４２の下辺部に配置された連結管路３１ｃと、スターリング冷却庫１０の前面から背面側に向かう連結管路３２ｄとから構成を備える。

連結管路３１ｃは、冷凍室４２のドアパッキン付近に配置されており、発露防止管路として機能する。このため、熱媒体Ａは、連結管路３１ｃ内を流通する際には、冷凍室４２のドアパッキン付近を加熱する一方で、熱媒体Ａ自体は冷却されるため、熱媒体Ａ内に含まれる気体状の熱媒体Ａ２が含まれる場合には、気体状の熱媒体Ａ２が冷却されて液化する。このため、ポンプ１６内に流入する熱媒体Ａには、気体状の熱媒体Ａ２が含まれ難く、キャビテーションの発生を防止することができる。なお、上記構成以外は、実施の形態１の場合と同様の構成とされている。

なお、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様の構成を有しているため、実施の形態１と同様の作用・効果を得ることができる。以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、今回開示された実施の形態は全ての点において例示であり、制限的なものではないと考えるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

この発明は、スターリング冷却庫に適用することができる。

本発明の実施の形態１におけるスターリング冷却庫の配管系統図である。 図１に示されたスターリング冷却庫の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態２におけるスターリング冷却庫の概略構成図である。

符号の説明

１０ スターリング冷却庫、１１ 放熱部、１２ 吸熱部、１３ スターリング冷凍機、１４ 高温側蒸発器、１５ 熱媒体流路、１６ ポンプ、１７ タンク、３０ 連結管路（第１連結管路）、３１ 連結管路（第２連結管路）、３２、３３ 発露防止管路。

Claims (8)

1. 放熱部と吸熱部とを有するスターリング冷凍機と、
   前記放熱部に設けられ、熱媒体を蒸発させて前記放熱部を冷却する高温側蒸発器と、
   前記高温側蒸発器に接続され前記熱媒体が流れる熱媒体流路と、
   前記熱媒体流路に設けられ前記熱媒体を加圧するポンプと、
   前記高温側蒸発器と前記ポンプとの間に設けられ、液状の前記熱媒体と、該液状の熱媒体に混入したガス状の熱媒体とを分離する気液分離部と、
   を備えた、スターリング冷却庫。
2. 前記気液分離部が前記高温側蒸発器の側方に設けられている、請求項１に記載のスターリング冷却庫。
3. 前記熱媒体流路は、前記気液分離部と前記高温側蒸発器との間に設けられ前記熱媒体を流通させる第１連結管路と、前記ポンプと前記気液分離部との間に設けられ前記熱媒体を流通させる第２連結管路とを含み、
   前記第１連結管路は、前記気液分離部内と前記高温側蒸発器内とに挿入され、前記第１連結管路の前記気液分離部内の開口端部は、前記高温側蒸発器内の開口端部より下方に配置されている、請求項１または請求項２に記載のスターリング冷却庫。
4. 前記気液分離部内における前記第１連結管路の開口端部を、前記気液分離部内における前記第２連結管路の開口端部よりも上方に配置した、請求項３に記載のスターリング冷却庫。
5. 前記気液分離部内における前記第１連結管路の開口端部が、前記気液分離部内における前記第２連結管路の開口端部から離れるように前記第１連結管路を配置した、請求項３または請求項４に記載のスターリング冷却庫。
6. 前記ポンプは、前記気液分離部より下方に位置させられている、請求項１から請求項５のいずれかに記載のスターリング冷却庫。
7. 庫内において冷気が送り込まれる空間を規定する壁部に前記第２連結管路を埋設した、請求項３から請求項６に記載のスターリング冷却庫。
8. 前記第２連結管路を発露防止管路として機能させる、請求項３から請求項７のいずれかに記載のスターリング冷却庫。
   

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