JP2006084135A - Heat radiating system and stirling refrigerator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放熱システムおよびスターリング冷却庫(Stirling Refrigerator/Freezer)に関し、特に、冷媒配管中のキャビテーションの発生が抑制された放熱システムおよびスターリング冷却庫に関する。 The present invention relates to a heat dissipation system and a Stirling Refrigerator / Freezer, and more particularly, to a heat dissipation system and a Stirling cooler in which the occurrence of cavitation in refrigerant piping is suppressed.
逆スターリングサイクルによる熱交換を冷却庫に適用したものとして、たとえば、特開2003−50073号公報(従来例1)に記載されたものなどが挙げられる。 As what applied the heat exchange by a reverse Stirling cycle to a refrigerator, what was described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-50073 (conventional example 1) etc. are mentioned, for example.
従来例1においては、逆スターリングサイクルによる作動ガスの圧縮熱を外部に放熱するための高温部と、逆スターリングサイクルによる作動ガスの膨張熱を外部から吸熱するための低温部と、低温部に熱的に結合された低温側凝縮器および複数の低温側蒸発器をサーモサイフォンを構成するように連結した閉回路からなる低温側循環回路とを備え、低温部の冷熱を搬送する冷熱搬送媒体を低温側循環回路内に封入したことを特徴とするスターリング冷凍システムが開示されている。ここで、高温部における熱は、高温側熱交換サイクル(放熱システム)により放熱される。高温側熱交換サイクルは、配管により接続された高温側蒸発器と高温側凝縮器とを含み、サーモサイフォン原理により熱が搬送、放出される。
しかしながら、上記のような放熱システムにおいては、以下のような問題があった。 However, the above heat dissipation system has the following problems.
上記放熱システムにおいて、上述したサーモサイフォン回路に加えて、循環ポンプを含み、高温側蒸発器から液化した冷媒が供給される強制循環回路(forced circulation circuit)が形成される場合がある。強制循環回路内を流れる冷媒の熱は、たとえば、冷却庫における発露防止に利用される。 In the heat dissipation system, in addition to the thermosiphon circuit described above, a forced circulation circuit that includes a circulation pump and is supplied with a liquefied refrigerant from a high-temperature side evaporator may be formed. The heat of the refrigerant flowing in the forced circulation circuit is used, for example, to prevent dew generation in a refrigerator.
ここで、強制循環回路の配管には高温側蒸発器から比較的高温の液化した冷媒が供給されるため、該配管内を流れる冷媒中に気泡が発生しやすい(キャビテーションがおこりやすい)状態になっている。キャビテーションがおこることにより、騒音が発生したり配管がダメージを受けたりする可能性があるという問題がある。 Here, since the relatively high-temperature liquefied refrigerant is supplied from the high-temperature side evaporator to the piping of the forced circulation circuit, bubbles are likely to be generated in the refrigerant flowing through the piping (the cavitation is likely to occur). ing. When cavitation occurs, there is a problem that noise may be generated or piping may be damaged.
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、冷媒配管中のキャビテーションが抑制された放熱システムおよびスターリング冷却庫を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a heat dissipation system and a Stirling cooler in which cavitation in a refrigerant pipe is suppressed.
本発明に係る放熱システムは、熱源の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発した冷媒を受け入れ、該冷媒を凝縮する凝縮器とを含み、凝縮された冷媒を蒸発器内に戻す第1循環回路と、蒸発器下部に接続された冷媒流路および該冷媒流路に取付けられた循環ポンプを含み、蒸発器の外部に冷媒を導き、該冷媒を蒸発器内に戻す第2循環回路と、蒸発器と循環ポンプとの間を流れる冷媒を冷却する冷却手段とを備える。 A heat dissipation system according to the present invention includes an evaporator that is provided around a heat source and evaporates an internal refrigerant, and a condenser that accepts the evaporated refrigerant and condenses the refrigerant, and the condensed refrigerant is contained in the evaporator. A first circulation circuit for returning to the evaporator, a refrigerant flow path connected to the lower part of the evaporator, and a circulation pump attached to the refrigerant flow path, guiding the refrigerant to the outside of the evaporator, and returning the refrigerant to the evaporator And a cooling circuit for cooling the refrigerant flowing between the evaporator and the circulation pump.
冷媒を冷却することにより、冷媒温度が低下する。結果として、気泡の発生(キャビテーション)が抑制される。 By cooling the refrigerant, the refrigerant temperature decreases. As a result, the generation of bubbles (cavitation) is suppressed.
上記循環ポンプとして圧電ポンプが用いられてもよい。 A piezoelectric pump may be used as the circulation pump.
圧電ポンプを用いた場合は、脈動が生じるため、ポンプ上流側で負圧になりやすく、キャビテーションが生じやすい。本発明により、この圧電ポンプ特有の問題が解決される。 When a piezoelectric pump is used, pulsation occurs, so that negative pressure is likely to occur on the upstream side of the pump, and cavitation is likely to occur. The present invention solves the problems peculiar to the piezoelectric pump.
上記冷却手段としては、蒸発器と循環ポンプとの間に位置する冷媒流路に設けられた放熱フィンを含むものが考えられる。 As said cooling means, what contains the radiation fin provided in the refrigerant | coolant flow path located between an evaporator and a circulation pump can be considered.
放熱フィンを用いることにより、簡単な構造で有効な冷却手段が得られる。 By using the radiation fins, an effective cooling means can be obtained with a simple structure.
上記放熱システムに、凝縮器の近傍に設置された送風手段がさらに備えられ、冷却手段が送風手段を含むようにしてもよい。ここで、送風手段により生じる気流中に蒸発器と循環ポンプとの間に位置する冷媒流路の一部を配置することが好ましい。 The heat dissipating system may further include a blowing unit installed in the vicinity of the condenser, and the cooling unit may include the blowing unit. Here, it is preferable to arrange a part of the refrigerant flow path located between the evaporator and the circulation pump in the air flow generated by the blowing means.
この場合も、簡単な構造で有効な冷却手段が得られる。また、凝縮器に対する送風手段が冷却手段として兼用されることにより、庫内における省スペースが図られる。ここで、送風手段により生じる気流中に蒸発器と循環ポンプとの間に位置する冷媒流路の一部を配置することにより、上記気流による熱交換が促進される。 Also in this case, an effective cooling means can be obtained with a simple structure. Further, the air blowing means for the condenser is also used as the cooling means, thereby saving space in the warehouse. Here, by arranging a part of the refrigerant flow path located between the evaporator and the circulation pump in the air flow generated by the blowing means, heat exchange by the air flow is promoted.
第2循環回路における循環ポンプの入口近傍に位置する冷媒流路内を流れる冷媒の温度T1と、第2循環回路における蒸発器の出口近傍に位置する冷媒流路内を流れる冷媒の温度T0と、冷媒のアントワン(ANTOINE)定数A,B,Cと、第2循環回路における蒸発器の出口近傍と第2循環回路における循環ポンプの入口近傍との間の位置水頭差および冷媒流路の流路面積差による圧力差Pgと、蒸発器の出口近傍から循環ポンプの入口近傍に至るまでの冷媒流路の配管抵抗による圧力損失量ΔPと、冷媒流路内を流れる冷媒中に気泡を発生させるための過熱度Tsとが、
T1≦B/(A−log(Pg−ΔP+10(A-B/(C+T0))−C+Ts
の関係を満たすことが好ましい。
A temperature T1 of the refrigerant flowing in the refrigerant passage located near the inlet of the circulation pump in the second circulation circuit, a temperature T0 of the refrigerant flowing in the refrigerant passage located near the outlet of the evaporator in the second circulation circuit, and The refrigerant head ANTOINE constants A, B, and C, the position head difference between the vicinity of the outlet of the evaporator in the second circulation circuit and the vicinity of the inlet of the circulation pump in the second circulation circuit, and the flow path area of the refrigerant flow path The pressure difference Pg due to the difference, the pressure loss amount ΔP due to the piping resistance of the refrigerant flow path from the vicinity of the outlet of the evaporator to the vicinity of the inlet of the circulation pump, and bubbles for generating bubbles in the refrigerant flowing in the refrigerant flow path The superheat degree Ts is
T1 ≦ B / (A−log (Pg−ΔP + 10 (AB / (C + T0) ) − C + Ts)
It is preferable to satisfy the relationship.
ポンプ入口近傍における冷媒温度T1をこの程度にまで下げることにより、キャビテーションの抑制が十分に図られる。 Cavitation is sufficiently suppressed by lowering the refrigerant temperature T1 in the vicinity of the pump inlet to this level.
本発明に係るスターリング冷却庫は、低温部と熱源としての高温部とを有するスターリング冷凍機と、上述した放熱システムとを備える。 The Stirling refrigerator according to the present invention includes a Stirling refrigerator having a low temperature part and a high temperature part as a heat source, and the heat dissipation system described above.
上述した放熱システムにおいては、冷媒配管中のキャビテーションが抑制されている。したがって、騒音の発生などが抑制されたスターリング冷却庫が提供される。 In the heat dissipation system described above, cavitation in the refrigerant pipe is suppressed. Therefore, a Stirling cooler in which generation of noise and the like is suppressed is provided.
本発明によれば、冷媒配管中のキャビテーションを抑制することができる。 According to the present invention, cavitation in refrigerant piping can be suppressed.
以下に、本発明に基づく放熱システムおよびスターリング冷却庫の実施の形態について、図1から図6を用いて説明する。 Embodiments of a heat dissipation system and a Stirling cooler according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
なお、本願明細書において、「冷却庫」とは、「冷蔵庫」、「冷凍庫」および「冷凍冷蔵庫」の全てを含む概念である。 In the present specification, the “cooling box” is a concept including all of “refrigerator”, “freezer”, and “freezer refrigerator”.
また、本実施の形態においては、「放熱システム」を「スターリング機関」の典型的な一例としてのスターリング冷凍機に適用した場合ついて説明するが、この「放熱システム」はスターリング冷凍機の高温部(放熱部)に対してのみ適用されるものではなく、任意の熱源に対して適用可能である。また、「スターリング機関」の用途は「冷凍機」に限定されるものではなく、たとえば、「スターリング機関」を「発電機」として用いることも可能である。 Further, in the present embodiment, the case where the “heat dissipation system” is applied to a Stirling refrigerator as a typical example of the “Stirling engine” will be described. It is not applied only to the heat radiating part) but can be applied to any heat source. The application of the “Stirling engine” is not limited to the “refrigerator”. For example, the “Stirling engine” can be used as the “generator”.
図1は、本発明の1つの実施の形態に係るスターリング冷却庫を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a Stirling cooler according to one embodiment of the present invention.
図1に示すスターリング冷却庫1は、冷却空間として冷凍空間と冷蔵空間との少なくとも一方を備える。スターリング冷凍機2(スターリング機関)は、ウォームヘッド(放熱部)とコールドヘッド(吸熱部)とを備える。 The Stirling refrigerator 1 shown in FIG. 1 includes at least one of a refrigerated space and a refrigerated space as a cooling space. The Stirling refrigerator 2 (Stirling engine) includes a worm head (heat dissipating part) and a cold head (heat absorbing part).
スターリング冷却庫1は、スターリング冷凍機2のウォームヘッドの冷却を行なう高温側熱搬送サイクルと、冷却庫内とスターリング冷凍機2のコールドヘッドとの熱交換を行なう低温側熱搬送サイクルとを備えている。
The Stirling cooler 1 includes a high temperature side heat transfer cycle for cooling the warm head of the Stirling
高温側熱搬送サイクルは、スターリング冷凍機2のウォームヘッドの周囲に接触して取り付けられた高温側蒸発器と、高温側導管および高温側戻り管からなる高温側冷媒通路により高温側蒸発器に接続された高温側凝縮器3とから構成された循環回路を有する。
The high temperature side heat transfer cycle is connected to the high temperature side evaporator by a high temperature side evaporator comprising a high temperature side conduit and a high temperature side return pipe, and a high temperature side evaporator mounted in contact with the periphery of the worm head of the Stirling
高温側の循環回路内には水(H2O)などが冷媒として封入されている。高温側蒸発器において蒸発した冷媒は高温側導管を介して高温側凝縮器3に達する。高温側凝縮器3において外気との熱交換が行なわれることで冷媒が凝縮する。凝縮した冷媒は、高温側戻り管を介して高温側蒸発器に戻る。このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、ウォームヘッドで発生した熱を伝達することができるように、高温側凝縮器3を高温側蒸発器より上方に配置している。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整されている。
Water (H 2 O) or the like is sealed as a refrigerant in the high-temperature side circulation circuit. The refrigerant evaporated in the high temperature side evaporator reaches the high
低温側熱搬送サイクルは、スターリング冷凍機2のコールドヘッドの周囲に接触して取り付けられた低温側凝縮器と、低温側導管および低温側戻り管からなる低温側冷媒通路6により低温側凝縮器に接続された低温側蒸発器5とから構成された循環回路を有する。なお、図1においては、互いに分離した低温側戻り管および低温側導管を合わせて低温側冷媒通路6として表示している。
The low-temperature side heat transfer cycle is a low-temperature side condenser formed by a low-temperature side condenser attached in contact with the periphery of the cold head of the Stirling
低温側の循環回路内には二酸化炭素や炭化水素などが冷媒として封入されている。低温側凝縮器において凝縮した冷媒は低温側導管を介して低温側蒸発器5に達する。低温側蒸発器5において冷媒が蒸発することで熱交換が行なわれる。熱交換の後、ガス化された冷媒は、低温側戻り管を介して低温側凝縮器に戻る。このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、コールドヘッドで発生した冷熱を伝達することができるように、低温側蒸発器5を低温側凝縮器より下方に配置している。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整されている。
Carbon dioxide, hydrocarbons, etc. are sealed as refrigerant in the low-temperature side circulation circuit. The refrigerant condensed in the low temperature side condenser reaches the low
図1に示すように、スターリング冷凍機2は、冷却庫本体1A背面の上部に配置される。また、低温側熱搬送サイクルは冷却庫本体背面1B側に配置され、高温側熱搬送サイクルは冷却庫本体1Aの上部側に配置される。なお、低温側蒸発器5は、冷却庫本体背面1B側に設けられた冷気ダクト5Aに内設され、高温側凝縮器3は冷却庫本体1Aの上部に設けられたダクト3Aに内設される。
As shown in FIG. 1, the Stirling
スターリング冷凍機2を作動させると、該冷凍機2のウォームヘッドで発生した熱が、高温側凝縮器3を介してダクト3A内の空気と熱交換される。このとき、送風ファン4により、ダクト3A内の暖かい空気がスターリング冷却庫1の庫外へ排出されるとともに、スターリング冷却庫1の庫外の空気が取り込まれ、熱交換が促進される。
When the
一方、スターリング冷凍機2のコールドヘッドで発生した冷熱は、低温側蒸発器5を介して冷気ダクト5A内の空気と熱交換される。このとき、庫内冷却ファン7により、低温側蒸発器5で冷却された冷気が冷却庫内(冷却空間)に送風される。冷却空間からの暖かくなった気流は、冷気ダクト5Aを介して再び低温側蒸発器5に送られ、繰り返し冷却される。
On the other hand, the cold generated in the cold head of the
上述した冷却サイクルの実施に伴い、冷却庫内(たとえば低温側蒸発器5周辺など)に着霜が生じる。これに対し、冷媒の流れを適宜調整することで、除霜を行なう。この除霜方法については、一般によく知られた技術を援用可能であるので、詳細な説明は行なわれない。 With the implementation of the cooling cycle described above, frost is formed in the refrigerator (for example, around the low temperature side evaporator 5). On the other hand, defrosting is performed by appropriately adjusting the flow of the refrigerant. About this defrost method, since a generally well-known technique can be used, detailed description is not performed.
上述した除霜を実施することで、除霜水が発生する。除霜水は、冷気ダクト5Aからドレンパイプ8を介して、冷却庫本体底面1Cの下部に設置されたドレンパン9(蒸発皿)に導かれる。ドレンパン9の上部には、送風ファン10が設けられており、該送風ファン10によってドレンパン9内に溜まった除霜水表面近傍に気流が形成され、比較的乾いた空気が除霜水上に供給されるので、除霜水の蒸発が促進される。
By performing the defrosting described above, defrosted water is generated. The defrost water is led from the
図2は、スターリング冷凍機2の構造の一例を示した側断面図である。
FIG. 2 is a side sectional view showing an example of the structure of the
図2に示すように、本実施の形態のスターリング冷凍機2は、ケーシング12と、該ケーシング12に組付けられたシリンダ13と、シリンダ13内で往復動するピストン14およびディスプレーサ15と、再生器16と、圧縮空間17Aと膨張空間17Bとを含む作動空間17と、放熱部18(ウォームヘッド)と、吸熱部19(コールドヘッド)と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ23と、ピストンスプリング24と、ディスプレーサスプリング25と、ディスプレーサロッド26と、背圧空間27とを備える。
As shown in FIG. 2, the
図2の例では、スターリング冷凍機2の外殻体(外壁)は、単一の容器で構成されず、背圧空間27側に位置するケーシング12(ベッセル部分)と、作動空間17側に位置する放熱部18、再生器16および吸熱部19の外壁部分とで主に構成される。ケーシング12は、背圧空間27を規定する。ケーシング12には、シリンダ13、リニアモータ23、ピストンスプリング24およびディスプレーサスプリング25をはじめとする種々の部品が組付けられる。上記外殻体の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。
In the example of FIG. 2, the outer shell (outer wall) of the
シリンダ13は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン14とディスプレーサ15とを往復動可能に受け入れる。シリンダ13内において、ピストン14とディスプレーサ15とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン14およびディスプレーサ15によってシリンダ13内の作動空間17が圧縮空間17Aと膨張空間17Bとに区画される。より詳しくは、作動空間17は、ピストン14におけるディスプレーサ15側の端面よりもディスプレーサ15側に位置する空間であり、ピストン14とディスプレーサ15との間に圧縮空間17Aが形成され、ディスプレーサ15と吸熱部19との間に膨張空間17Bが形成される。圧縮空間17Aは主に放熱部18によって囲まれ、膨張空間17Bは主に吸熱部19によって囲まれている。
The
圧縮空間17Aと膨張空間17Bとの間には、チューブ18Aの内周面上に所定の隙間を有しながらフィルムが巻回されてなる再生器16が配設されており、この再生器16を介して圧縮空間17Aと膨張空間17Bとが連通する。それにより、スターリング冷凍機2内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン14およびディスプレーサ15の動作に合わせて流動することにより、逆スターリングサイクルが実現される。
Between the
シリンダ13の外側に位置する背圧空間27にはリニアモータ23が配設される。リニアモータ23は、インナーヨーク20と、可動マグネット部21と、アウターヨーク22とを有し、このリニアモータ23によって、シリンダ13の軸方向にピストン14が駆動される。
A
ピストン14の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング24と接続される。該ピストンスプリング24は、ピストン14に弾性力を付与する弾性力付与手段として機能する。該ピストンスプリング24に弾性力を付加することにより、シリンダ13内でピストン14をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサ15の一端は、ディスプレーサロッド26を介してディスプレーサスプリング25と接続される。ディスプレーサロッド26はピストン14を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング25は板バネなどで構成される。該ディスプレーサスプリング25の周縁部と、ピストンスプリング24の周縁部は、リニアモータ23からピストン14の背圧空間27側(以下、後方と称する場合がある。)に延びる支持部材により支持される。
One end of the
ピストン14に対しディスプレーサ15と反対側には、ケーシング12によって囲まれた背圧空間27が配設されている。背圧空間27は、ケーシング12内でピストン14の周囲に位置する外周領域と、ケーシング12内でピストン14よりもピストンスプリング24側(後方側)に位置する後方領域とを含む。この背圧空間27内にも、作動媒体が存在する。
A
放熱部18、吸熱部19の内周面上には、それぞれ熱交換器180(第1熱交換器)と熱交換器190(第2熱交換器)とが設けられる。熱交換器180,190は、それぞれ、圧縮空間17A,膨張空間17Bと放熱部18,吸熱部19との間の熱交換を行なう。
A heat exchanger 180 (first heat exchanger) and a heat exchanger 190 (second heat exchanger) are provided on the inner peripheral surfaces of the
次に、スターリング冷凍機2の動作について説明する。
Next, the operation of the
まず、リニアモータ23を作動させてピストン14を駆動する。リニアモータ23によって駆動されたピストン14は、ディスプレーサ15に接近し、圧縮空間17A内の作動媒体(作動ガス)を圧縮する。
First, the
ピストン14がディスプレーサ15に接近することにより、圧縮空間17A内の作動媒体の温度は上昇するが、放熱部18によってこの圧縮空間17A内に発生した熱が外部へと放出される。そのため、圧縮空間17A内の作動媒体の温度はほぼ等温に維持される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルにおける等温圧縮過程に相当する。
When the
ピストン14がディスプレーサ15に接近した後にディスプレーサ15は吸熱部19側に移動する。他方、ピストン14によって圧縮空間17A内において圧縮された作動媒体は再生器16内に流入し、さらに膨張空間17Bへと流れ込む。その際、作動媒体の持つ熱が再生器16に蓄熱される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容冷却過程に相当する。
After the
膨張空間17B内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ15がピストン14側(ケーシング12の後端側)へ移動することにより膨張する。このようにディスプレーサ15が後方側へ移動するのに伴い、ディスプレーサスプリング25の中央部も後方側に突出するように変形する。
The high-pressure working medium that has flowed into the
上記のように膨張空間17B内で作動媒体が膨張することにより、膨張空間17B内の作動媒体の温度は下降するが、吸熱部19によって外部の熱が膨張空間17B内へと伝熱されるため、膨張空間17B内はほぼ等温に保たれる。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。
When the working medium expands in the
その後、ディスプレーサ15がピストン14から遠ざかる方向に移動し始める。それにより、膨張空間17B内の作動媒体は再生器16を通過して再び圧縮空間17A側へと戻る。その際に再生器16に蓄熱されていた熱が作動媒体に与えられるため、作動媒体は昇温する。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当する。
Thereafter, the
この一連の過程(等温圧縮過程−等容冷却過程−等温膨張過程−等容加熱過程)が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、吸熱部19は徐々に低温になり、極低温を有するに至る。一方で、放熱部18は徐々に高温になる。上述したように、吸熱部19における冷熱は、低温側熱搬送サイクルを介して冷却庫内に供給され、放熱部18における熱は、高温側熱搬送サイクルを介して冷却庫外に放出される。
By repeating this series of processes (isothermal compression process-isovolume cooling process-isothermal expansion process-isovolume heating process), an inverse Stirling cycle is configured. As a result, the
図3は、スターリング冷却庫1における高温側冷媒回路(放熱システム)の構成を示した図である。本実施の形態に係る放熱システムは、基本的な構成として、後述する第1と第2循環回路を有する。また、図4は、図3に示す放熱システムにおける第2循環回路を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a high temperature side refrigerant circuit (heat radiation system) in the Stirling refrigerator 1. The heat dissipation system according to the present embodiment has first and second circulation circuits described later as a basic configuration. FIG. 4 is a diagram showing a second circulation circuit in the heat dissipation system shown in FIG.
図3を参照して、スターリング冷凍機2の放熱部に取付けられた高温側蒸発器3B内の冷媒は、上方に位置するガス相3Cと下方に位置する液相3Dとに分かれている。上記放熱システムにおいては、上述したように、スターリング冷凍機2における放熱部において発生した熱を冷却庫外に放出するために、高温側蒸発器3Bと高温側凝縮器3とを含む自然循環回路(第1循環回路30)が形成されている。さらに、この放熱システムにおいては、循環ポンプ33を含み、液相3Dの冷媒を該蒸発器3Bの外部に導き、冷媒の熱を利用した後、該冷媒を該蒸発器3B内に戻す強制循環回路(第2循環回路31)が形成されている。冷媒の熱は、たとえば、発露防止のために用いられる。この場合、強制循環回路31は、図3に示すように、発露防止パイプ32を含むことになる。発露防止パイプ32は、図4に示すように、高温側蒸発器3B中の冷媒を高温側蒸発器3Bの下部から該蒸発器3Bの外部へと導き、スターリング冷却庫本体1A前面の全体にわたって循環させた後、高温側蒸発器3Bの上部から該蒸発器3B内へと戻す。なお、循環ポンプ33としては、水晶やニオブ酸リチウムなどの圧電素子を用いた圧電ポンプが用いられる。
With reference to FIG. 3, the refrigerant in the high
ところで、高温側蒸発器3B内における冷媒にはスターリング冷凍機2における放熱部の熱が伝達されるため、発露防止パイプ32内を流れる冷媒は比較的高温であり、該冷媒は飽和液に近い状態となっていると考えられる。したがって、局所的な圧力変動によってもキャビテーションが発生し、これにより騒音が発生し、または、配管がダメージを受けることが懸念される。特に、高温側蒸発器3Bから循環ポンプ33に至るまでの発露防止パイプ32内を流れる冷媒については、この問題が顕著にあらわれると考えられる。また、圧電ポンプによる強制循環は、流れに脈動を生じさせるので、局所的な圧力変動を発生させやすい。
By the way, since the heat of the heat radiation part in the
これに対し、本実施の形態に係る放熱システムにおいては、高温側蒸発器3Bと循環ポンプ33との間に位置する発露防止パイプ32に、放熱フィン34(冷却手段)が取付けられている。また、発露防止パイプ32における放熱フィン34が取付けられた部分は、高温側凝縮器3と外気との熱交換を促進する放熱ファン4が生ずる気流(図3中の破線矢印)が達する位置に配管される。これにより、放熱ファン4を発露防止パイプ32内の冷媒の冷却手段として兼用することができる。
On the other hand, in the heat dissipation system according to the present embodiment, the heat dissipation fins 34 (cooling means) are attached to the dew
上記構成により発露防止パイプ32内の冷媒を冷却することで、外冷媒中の気泡の発生を抑制することができる。すなわち、キャビテーションが抑制される。
By cooling the refrigerant in the dew
図5は、スターリング冷却庫1における高温側冷媒回路(放熱システム)の構成の変形例を示した図である。また、図6は、図5に示す放熱システムにおける第2循環回路を示す図である。 FIG. 5 is a view showing a modification of the configuration of the high-temperature side refrigerant circuit (heat radiation system) in the Stirling refrigerator 1. Moreover, FIG. 6 is a figure which shows the 2nd circulation circuit in the thermal radiation system shown in FIG.
図5,図6を参照して、本変形例においても、高温側蒸発器3Bと循環ポンプ33との間に位置する発露防止パイプ32に、放熱フィン34(冷却手段)が取付けられている。また、発露防止パイプ32における放熱フィン34が取付けられた部分は、高温側凝縮器3と外気との熱交換を促進する放熱ファン4が生ずる気流(図5中の破線矢印)が達する位置であって、高温側凝縮器3よりも下流側に配管される。高温側凝縮器3よりも下流側に発露防止パイプ32を配管することにより、高温側凝縮器3上を通過した比較的高温の気流を発露防止パイプ32にあてることができるので、放熱ファン4を発露防止パイプ32内の冷媒の冷却手段として用いる一方で、冷媒の冷えすぎを抑制することができる。
Referring to FIGS. 5 and 6, also in the present modified example, heat radiation fins 34 (cooling means) are attached to
循環ポンプ33の入口近傍に位置する発露防止パイプ32(冷媒流路)内を流れる冷媒の温度T1は、上記冷却手段(放熱フィン34および放熱ファン4)の能力により決定される。この温度T1と、高温側蒸発器3Bの出口近傍に位置する発露防止パイプ32内を流れる冷媒の温度T0と、冷媒のアントワン(ANTOINE)定数A,B,Cと、高温側蒸発器3Bの出口近傍と循環ポンプ33の入口近傍との間の位置水頭差およびこれらの位置(高温側蒸発器3Bの出口近傍/循環ポンプ33の入口近傍)における発露防止パイプ32の流路面積差による圧力差Pgと、高温側蒸発器3Bの出口近傍から循環ポンプ33の入口近傍に至るまでの発露防止パイプ32の配管抵抗による圧力損失量ΔPと、発露防止パイプ32内を流れる冷媒中に気泡を発生させるための過熱度Tsとが、
T1≦B/(A−log(Pg−ΔP+10(A-B/(C+T0))−C+Ts・・・(1)
の関係を満たすことが好ましい。
The temperature T1 of the refrigerant flowing in the dew prevention pipe 32 (refrigerant flow path) located in the vicinity of the inlet of the
T1 ≦ B / (A−log (Pg−ΔP + 10 (AB / (C + T0) )) − C + Ts (1)
It is preferable to satisfy the relationship.
循環ポンプ33入口近傍における冷媒温度T1をこの程度にまで下げることにより、キャビテーションの抑制が十分に図られる。
By reducing the refrigerant temperature T1 in the vicinity of the inlet of the
式(1)は、以下の手順で求められる。 Formula (1) is calculated | required in the following procedures.
循環ポンプ33入口近傍で気泡の発生を抑制するためには、当該部分において、管内冷媒圧力が蒸気圧以上である、すなわち、
P1≦P1’・・・(I)
であることが好ましい。なお、
P1:循環ポンプ33入口近傍を流れる冷媒温度T1に対応する蒸気圧
P1’:循環ポンプ33入口近傍における管内冷媒圧力
である。
In order to suppress the generation of bubbles in the vicinity of the inlet of the
P1 ≦ P1 ′ (I)
It is preferable that In addition,
P1: Vapor pressure P1 ′ corresponding to the refrigerant temperature T1 flowing in the vicinity of the inlet of the circulation pump 33: In-pipe refrigerant pressure in the vicinity of the inlet of the
ここで、高温側蒸発器3B出口近傍と循環ポンプ33入口近傍との位置関係から、
P1’=P0’+Pg−ΔP・・・(II)
が導かれる。なお、
P0’:高温側蒸発器3B出口近傍における管内冷媒圧力
Pg:高温側蒸発器3B出口近傍のとポンプ入口近傍との水頭差(主に位置水頭差、流路面積が変動する場合は速度水頭差も含む)による圧力差
ΔP:発露防止パイプ32の配管抵抗による圧力損失量
である。
Here, from the positional relationship between the vicinity of the high
P1 ′ = P0 ′ + Pg−ΔP (II)
Is guided. In addition,
P0 ′: In-pipe refrigerant pressure near the outlet of the high temperature side evaporator 3B Pg: Water head difference between the vicinity of the outlet of the high temperature side evaporator 3B and the vicinity of the pump inlet Pressure difference ΔP: the pressure loss due to the piping resistance of the
また、高温側発器3B出口近傍においては冷媒が液体状態であるので、当該部分においては、管内冷媒圧力が蒸気圧以上である、すなわち、
P0≦P0’・・・(III)
であると考えられる。なお、
P0:高温側蒸発器3B出口近傍を流れる冷媒温度T0に対応する蒸気圧
である。
Further, since the refrigerant is in a liquid state in the vicinity of the outlet of the high
P0 ≦ P0 '(III)
It is thought that. In addition,
P0: Vapor pressure corresponding to the refrigerant temperature T0 flowing in the vicinity of the outlet of the high
上記(II),(III)より、
P1’≧P0+Pg−ΔP・・・(IV)
となるので、
P1≦P0+Pg−ΔP・・・(V)
とすることにより、上記(I)の関係(P1≦P1’)が満たされる。
From (II) and (III) above,
P1 ′ ≧ P0 + Pg−ΔP (IV)
So,
P1 ≦ P0 + Pg−ΔP (V)
Thus, the relationship (P1 ≦ P1 ′) in the above (I) is satisfied.
さらに、上記(V)に、一般によく知られたANTOINEの式
P0=10(A-B/(T0+C)),log(P1)=A−B/(C+T1)
(A,B,C:ANTOINE定数)
を代入することにより、
T1≦B/(A−log(Pg−ΔP+10(A-B/(C+T0))−C・・・(VI)
が導かれる。
Further, in the above (V), the generally well-known ANTOINE formula P0 = 10 (AB / (T0 + C)) , log (P1) = AB− (C + T1)
(A, B, C: ANTOINE constant)
By substituting
T1 ≦ B / (A−log (Pg−ΔP + 10 (AB / (C + T0) ) − C (VI)
Is guided.
すなわち、循環ポンプ33入口近傍を流れる冷媒温度T1が(VI)を満たす程度に低いことが好ましいということになるが、ここで、実際に冷媒中に気泡を発生させるための過熱度Tsだけ、T1の許容範囲を大きくすることができる。過熱度Tsを考慮することにより、キャビテーションの抑制効果が得られる範囲で配管設計の自由度を高めることができる。以上の手順により、上記式(1)が導かれる。
In other words, it is preferable that the refrigerant temperature T1 flowing in the vicinity of the inlet of the
なお、上記式(1)中の各パラメータは、以下のように特定可能である。 Each parameter in the above formula (1) can be specified as follows.
ΔPは、発露防止パイプ32の径、長さ、形状、表面粗度や該パイプを流れる冷媒流量から決定される。この値は、実際に配管を取り出して水理実験を行なうなどして確認することができる。
ΔP is determined from the diameter, length, shape, surface roughness, and flow rate of refrigerant flowing through the dew
Pgは、高温側蒸発器3Bと循環ポンプ33との高さ方向における位置関係、および、高温側蒸発器3B出口近傍における発露防止パイプ32の流路面積と循環ポンプ33入口近傍における発露防止パイプ32の流路面積との関係から求められる。
Pg is the positional relationship in the height direction between the high temperature side evaporator 3B and the
T0,T1は、実際に放熱システムを作動させながら、各部位における冷媒温度の測定をすることにより求められる。 T0 and T1 are obtained by measuring the refrigerant temperature at each part while actually operating the heat dissipation system.
A,B,C(ANTOINE定数)は、冷媒の種類により一義的に定まる。たとえば冷媒がH2Oであれば、A=8.07,B=1730.6,C=233.43程度(圧力の単位をmmHg、温度の単位を℃とした場合)である。 A, B, and C (ANTOINE constant) are uniquely determined by the type of refrigerant. For example, if the refrigerant is H 2 O, A = 8.07, B = 1730.6, and C = 233.43 (when the unit of pressure is mmHg and the unit of temperature is ° C.).
Tsについては、冷媒の種類および蒸発面の状態(平滑面と比べて粗面におけるTsは小さい。)などによって定まる。たとえば冷媒がH2Oであれば、Tsは0℃より大きく5℃以下程度である。 Ts is determined by the type of refrigerant and the state of the evaporation surface (Ts on the rough surface is smaller than that on the smooth surface). For example, if the refrigerant is H 2 O, Ts is greater than 0 ° C. and about 5 ° C. or less.
上述した内容について要約すると、以下のようになる。 The above contents are summarized as follows.
本実施の形態に係る放熱システムは、スターリング冷却庫に適用されるものであって、スターリング冷凍機2における放熱部18(熱源)の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる高温側蒸発器3B(蒸発器)と、蒸発した冷媒を受け入れ、該冷媒を凝縮する高温側凝縮器3(凝縮器)を含み、凝縮された冷媒を高温側蒸発器3B内に戻す第1循環回路30と、高温側蒸発器3B下部に接続された発露防止パイプ32(冷媒流路)および発露防止パイプ32に取付けられた循環ポンプ33を含み、高温側蒸発器3Bの外部に冷媒を導き、該冷媒を高温側蒸発器3B内に戻す第2循環回路31と、高温側蒸発器3Bと循環ポンプ33との間を流れる冷媒を冷却する冷却手段とを備える。
The heat dissipation system according to the present embodiment is applied to a Stirling refrigerator, and is provided around the heat dissipating unit 18 (heat source) in the
冷媒を冷却することにより、発露防止パイプ32内の冷媒温度が低下する。結果として、循環ポンプ33の入口近傍において、気泡の発生(キャビテーション)が抑制される。
By cooling the refrigerant, the refrigerant temperature in the
上記循環ポンプ33として圧電ポンプを用いた場合は、冷媒の流れに脈動が生じるため、循環ポンプ33の上流側で負圧になりやすくなる。この結果、キャビテーションが生じやすくなるが、上記冷却手段により、この圧電ポンプ特有の問題が解決される。
When a piezoelectric pump is used as the
冷却手段としては、たとえば、高温側蒸発器3Bと循環ポンプ33との間に位置する発露防止パイプ32に放熱フィン34を設ける構造が考えられる。これにより、簡単な構造で有効な冷却手段が得られる。
As the cooling means, for example, a structure in which the
また、高温側凝縮器3の近傍に設置された送風ファン4(送風手段)を上記冷却手段として用いることも考えられる。この場合、送風ファン4により生じる気流中に高温側蒸発器3Bと循環ポンプ33との間に位置する発露防止パイプ32の一部を配置することが好ましい。
It is also conceivable to use an air blowing fan 4 (air blowing means) installed in the vicinity of the high
この場合も、簡単な構造で有効な冷却手段が得られる。また、送風ファン4が冷却手段として兼用されることにより、庫内における省スペースが図られる。
Also in this case, an effective cooling means can be obtained with a simple structure. Further, the
以上の構成により、騒音の発生や冷媒配管損傷の発生などが抑制されたスターリング冷却庫が提供される。 With the above configuration, a Stirling cooler in which generation of noise, refrigerant pipe damage, and the like are suppressed is provided.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。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。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 スターリング冷却庫、1A 冷却庫本体、1B 冷却庫本体背面、1C 冷却庫本体底面、2 スターリング冷凍機、3 高温側凝縮器、3A ダクト、3B 高温側蒸発器、3C ガス相、3D 液相、4 送風ファン、5 低温側蒸発器、5A 冷気ダクト、6 低温側冷媒通路、7 庫内冷却ファン、8 ドレンパイプ、9 ドレンパン、10 送風ファン、12 ケーシング、13 シリンダ、14 ピストン、15 ディスプレーサ、16 再生器、17 作動空間、17A 圧縮空間、17B 膨張空間、18 放熱部、18A チューブ、19 吸熱部、20 インナーヨーク、21 可動マグネット部、22 アウターヨーク、23 リニアモータ、24 ピストンスプリング、25 ディスプレーサスプリング、26 ディスプレーサロッド、27 背圧空間、30 第1循環回路、31 第2循環回路、32 発露防止パイプ、33 循環ポンプ、34 放熱フィン、180,190 熱交換器。
1 Stirling cooler, 1A cooler body, 1B back of cooler body, 1C bottom of cooler body, 2 Stirling refrigerator, 3 high temperature side condenser, 3A duct, 3B high temperature side evaporator, 3C gas phase, 3D liquid phase, 4 Fan, 5 Low temperature evaporator, 5A Cold air duct, 6 Low temperature side refrigerant passage, 7 Internal cooling fan, 8 Drain pipe, 9 Drain pan, 10 Blower, 12 Casing, 13 Cylinder, 14 Piston, 15 Displacer, 16 Regenerator, 17 working space, 17A compression space, 17B expansion space, 18 heat radiation part, 18A tube, 19 heat absorption part, 20 inner yoke, 21 movable magnet part, 22 outer yoke, 23 linear motor, 24 piston spring, 25
Claims (5)
前記蒸発器下部に接続された冷媒流路および該冷媒流路に取付けられた循環ポンプを含み、前記蒸発器の外部に前記冷媒を導き、該冷媒を前記蒸発器内に戻す第2循環回路と、
前記蒸発器と前記循環ポンプとの間を流れる前記冷媒を冷却する冷却手段とを備えた放熱システム。 A first circulation circuit that is provided around a heat source and includes an evaporator that evaporates an internal refrigerant and a condenser that receives the evaporated refrigerant and condenses the refrigerant, and returns the condensed refrigerant into the evaporator. When,
A second circulation circuit including a refrigerant flow path connected to the lower part of the evaporator and a circulation pump attached to the refrigerant flow path, guiding the refrigerant to the outside of the evaporator, and returning the refrigerant into the evaporator; ,
A heat dissipating system comprising cooling means for cooling the refrigerant flowing between the evaporator and the circulation pump.
前記冷却手段は前記送風手段を含む、請求項1または請求項2に記載の放熱システム。 Further comprising air blowing means installed in the vicinity of the condenser;
The heat dissipation system according to claim 1, wherein the cooling unit includes the air blowing unit.
前記第2循環回路における前記蒸発器の出口近傍に位置する前記冷媒流路内を流れる前記冷媒の温度T0と、
前記冷媒のアントワン(ANTOINE)定数A,B,Cと、
前記第2循環回路における前記蒸発器の出口近傍と前記第2循環回路における前記循環ポンプの入口近傍との間の位置水頭差および前記冷媒流路の流路面積差による圧力差Pgと、
前記蒸発器の出口近傍から前記循環ポンプの入口近傍に至るまでの前記冷媒流路の配管抵抗による圧力損失量ΔPと、
前記冷媒流路内を流れる前記冷媒中に気泡を発生させるための過熱度Tsとが、
T1≦B/(A−log(Pg−ΔP+10(A-B/(C+T0))−C+Ts
の関係を満たす、請求項1から請求項3のいずれかに記載の放熱システム。 A temperature T1 of the refrigerant flowing in the refrigerant flow path located in the vicinity of the inlet of the circulation pump in the second circulation circuit;
A temperature T0 of the refrigerant flowing in the refrigerant flow channel located near the outlet of the evaporator in the second circulation circuit;
Antoine constants A, B, C of the refrigerant,
A pressure difference Pg due to a position head difference between the vicinity of the outlet of the evaporator in the second circulation circuit and the vicinity of the inlet of the circulation pump in the second circulation circuit, and a flow area difference of the refrigerant flow path;
Pressure loss amount ΔP due to piping resistance of the refrigerant flow path from the vicinity of the outlet of the evaporator to the vicinity of the inlet of the circulation pump,
Superheat degree Ts for generating bubbles in the refrigerant flowing in the refrigerant flow path,
T1 ≦ B / (A−log (Pg−ΔP + 10 (AB / (C + T0) ) − C + Ts)
The thermal radiation system in any one of Claims 1-3 which satisfy | fills the relationship of these.
請求項1から請求項4のいずれかに記載の放熱システムとを備えたスターリング冷却庫。 A Stirling refrigerator having a low temperature part and a high temperature part as the heat source;
A Stirling refrigerator provided with the heat dissipation system according to claim 1.
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