JP2006097971A - 放熱システムおよびスターリング冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【解決手段】 放熱システムは、スターリング冷凍機２における放熱部の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる高温側蒸発器３Ｂと、蒸発した冷媒を受け入れ、該冷媒を凝縮して高温側蒸発器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とを備え、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を一定の範囲内に低く抑えるように、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の断面積などが選定される。
【選択図】 図３

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。

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。

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。
特開２００３−５００７３号公報

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。

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。

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。

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。

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、該冷媒を凝縮して蒸発器内に戻す第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、前記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循環回路とを備え、１つの局面では、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、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、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、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、冷媒のアントワン（ＡＮＴＯＩＮＥ）定数Ａ，Ｂ，Ｃとが、
ΔＰ≦Ｐｇ＋１０^(A-B/(T0+C))−１０^(A-B/(T1+C))
の関係を満たすように蒸発器と循環ポンプとの間に位置する冷媒流路の断面積、長さ、形状、表面粗度および該冷媒流路を流れる冷媒の流量が選定される。

配管抵抗ΔＰを低く抑えることで、循環ポンプの入口近傍における管内冷媒圧力を比較的高く保つことができる。この結果、循環ポンプ入口近傍における気泡の発生（キャビテーション）が抑制される。

上記放熱システムにおいて、他の局面では、
ΔＰ≦Ｐｇ＋１０^(A-B/(T0+C))−１０^{(A-B/(T1-Ts+C))}
の関係を満たすように蒸発器と循環ポンプとの間に位置する冷媒流路の断面積、長さ、形状、表面粗度および該冷媒流路を流れる冷媒の流量が選定される。ただし、Ｔｓは、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である。

この局面においても、上記と同様の効果を奏する。また、冷媒中に気泡を発生させるための過熱度Ｔｓを考慮してΔＰの許容範囲を大きくすることで、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。

上記冷媒がＨ₂Ｏを含む場合、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は０℃より大きく５℃以下である。

循環ポンプとして圧電ポンプが用いられてもよい。

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。

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。

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。

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。

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４を用いて説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、スターリング冷凍機２の動作について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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が低く抑えられることで、循環ポンプの入口近傍における管内冷媒圧力が比較的高く保たれる。これにより、循環ポンプ入口近傍における気泡の発生（キャビテーション）が抑制される。

ΔＰ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の断面積、長さ、形状、表面粗度および発露防止パイプ３２を流れる冷媒の流量により決定される。一般的には、発露防止パイプ３２の断面積が大きく、該パイプの長さが短く、該パイプの形状が直線形状に近く、該パイプの内周面の表面粗度が低く、外パイプを流れる冷媒流量が小さいほど配管抵抗による圧力損失ΔＰは低くなる傾向にある。

本実施の形態においては、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、循環ポンプ３３の入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Ｔ１と、冷媒のアントワン（ＡＮＴＯＩＮＥ）定数Ａ，Ｂ，Ｃとが、
ΔＰ≦Ｐｇ＋１０^(A-B/(T0+C))−１０^(A-B/(T1+C))・・・（１）
の関係を満たすように発露防止パイプ３２の断面積などが選定される。

式（１）は、以下の手順で求められる。

ポンプ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：ポンプ入口近傍を流れる冷媒温度Ｔ１に対応する蒸気圧
Ｐ１’：ポンプ入口近傍における管内冷媒圧力
である。

ここで、蒸発器出口近傍とポンプ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’：蒸発器出口近傍における管内冷媒圧力
Ｐｇ：蒸発器出口近傍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：配管抵抗による圧力損失量
である。

また、蒸発器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：蒸発器出口近傍を流れる冷媒温度Ｔ０に対応する蒸気圧
である。

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。

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))，Ｐ１＝１０^(A-B/(T1+C))
（Ａ，Ｂ，Ｃ：ＡＮＴＯＩＮＥ定数）
を代入することにより上記式（１）が導かれる。

ここで、冷媒中に気泡を発生させるための過熱度Ｔｓを考慮すると、ΔＰの許容範囲を大きくすることができる。具体的には、式（１）における「Ｔ１」を「Ｔ１−Ｔｓ」に置き換えることができる。すなわち、
ΔＰ≦Ｐｇ＋１０^(A-B/(T0+C))−１０^{(A-B/(T1-Ts+C))}・・・（２）
の関係を満たすように発露防止パイプ３２の断面積などが選定されてもよい。

なお、上記式（１），（２）中の各パラメータは、以下のように特定可能である。

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。

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。

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。

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。

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。

上記式（１），（２）を参照して、たとえば、
Ｐｇ＝９．８ｋＰａ（＝７３．５６ｍｍＨｇ＝１ｍ・Ｈ₂Ｏ）
Ｔ１＝４０℃，Ｔ２＝３５℃，Ｔｓ＝５℃である場合は、
式（１）によるとΔＰ≦８６．６ｍｍＨｇ
式（２）によるとΔＰ≦９７．０ｍｍＨｇとなる。

上記条件下で、ΔＰ≦８６．６ｍｍＨｇを満たす（すなわち、上記式（１）を満たす）ような発露防止パイプ３２の条件としては、一例として、表１に示すようなものが挙げられる。

表１において、「断面積」とは発露防止パイプ３２の流路面積であり、「高さ」とは高温側蒸発器３Ｂの出口（発露防止パイプ３２の入口）近傍と循環ポンプ３３入口近傍との高低差であり、「長さ」とは高温側蒸発器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の長さであり、「形状」とは配管抵抗に影響のある発露防止パイプ３２の形状（たとえばベントなど）であり、「表面粗度」とは発露防止パイプ３２の内周面の表面粗度であり、「流量」とは発露防止パイプ３２を流れる冷媒の流量である。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。

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、該冷媒を凝縮して高温側蒸発器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とを備え、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を一定の範囲内に低く抑えるように、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の断面積、長さ、形状、表面粗度および発露防止パイプ３２を流れる冷媒の流量が選定される。

配管抵抗ΔＰを低く抑えることで、循環ポンプの入口近傍における管内冷媒圧力を比較的高く保つことができる。この結果、循環ポンプ入口近傍における気泡の発生（キャビテーション）が抑制される。

なお、上記冷媒がＨ₂Ｏを含む場合、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は０℃より大きく５℃以下である。

循環ポンプとして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。本実施の形態においては、この圧電ポンプ特有の問題が解決される。

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。

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。

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した図である。 本発明の１つの実施の形態に係るスターリング冷却庫に備えられるスターリング冷凍機を示した側断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る放熱システムの基本構成を説明する図である。 図３に示す放熱システムにおける第２循環回路を示した図である。

符号の説明

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、１８０，１９０ 熱交換器。

Claims (3)

1. 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、蒸発した前記冷媒を受け入れ、該冷媒を凝縮する凝縮機とを含み、凝縮された冷媒を前記蒸発器内に戻す第１循環回路と、
   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設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循環回路とを備え、
   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、
   前記第２循環回路における前記循環ポンプの入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Ｔ１と、
   前記冷媒のアントワン（ＡＮＴＯＩＮＥ）定数Ａ，Ｂ，Ｃとが、
   ΔＰ≦Ｐｇ＋１０^(A-B/(T0+C))−１０^(A-B/(T1+C))
   の関係を満たすように前記蒸発器と前記循環ポンプとの間に位置する前記冷媒流路の断面積、長さ、形状、表面粗度および該冷媒流路を流れる冷媒の流量が選定された放熱システム。
2. 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、蒸発した前記冷媒を受け入れ、該冷媒を凝縮する凝縮機とを含み、凝縮された冷媒を前記蒸発器内に戻す第１循環回路と、
   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設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循環回路とを備え、
   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、
   前記第２循環回路における前記循環ポンプの入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Ｔ１と、
   前記冷媒のアントワン（ＡＮＴＯＩＮＥ）定数Ａ，Ｂ，Ｃ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、
   ΔＰ≦Ｐｇ＋１０^(A-B/(T0+C))−１０^{(A-B/(T1-Ts+C))}
   の関係を満たすように前記蒸発器と前記循環ポンプとの間に位置する前記冷媒流路の断面積、長さ、形状、表面粗度および該冷媒流路を流れる冷媒の流量が選定された放熱システム。
3. 低温部と前記熱源としての高温部とを有するスターリング冷凍機と、
   請求項１または請求項２に記載の放熱システムとを備えたスターリング冷却庫。

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