JP2006145076A - Heat radiation 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発生しやすい)状態になっている。キャビテーションが生じた後、当該部分の圧力が再度高くなることにより、発生した気泡が消滅する。この際、大きな空間の変動に起因する衝撃(水撃)により、騒音、振動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 a relatively high temperature 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). Yes. After the cavitation occurs, the pressure in the portion increases again, and the generated bubbles disappear. At this time, there is a problem that noise or vibration may be generated or the pipe may be damaged due to an impact (water hammer) resulting from a large space fluctuation.
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、騒音、振動が発生したり配管がダメージを受けたりすること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 noise, vibrations, and damage to piping are suppressed. It is to provide.
本発明に係る放熱システムは、1つの局面では、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の蒸発器よりも下方に設けられた循環ポンプを含み、冷媒を放熱部に導いてから蒸発器内に戻す第2循環回路とを備え、第2循環回路における蒸発器から循環ポンプに至るまでの冷媒流路は、蒸発器が位置する高さ近傍から循環ポンプが位置する高さ近傍に達する第1部分と、第1部分と循環ポンプおよび前記蒸発器とを接続する第2部分とを有し、第1部分の上端部から該第1部分の上側に突出する突出部分が設けられ、少なくとも第1部分の流路面積が第2循環回路における循環ポンプよりも下流側の平均流路面積よりも大きい。 In one aspect, the heat dissipation system according to the present invention is provided around an heat source, and includes an evaporator that evaporates an internal refrigerant, and a condenser that receives the evaporated refrigerant and condenses the refrigerant, and is condensed. A first circulation circuit for returning the refrigerant into the evaporator; a refrigerant flow path connected to the lower part of the evaporator; and a circulation pump provided below the evaporator of the refrigerant flow path, A refrigerant circuit from the evaporator to the circulation pump in the second circulation circuit, from the vicinity of the height where the evaporator is located to the vicinity where the circulation pump is located And a projecting portion that projects from the upper end of the first portion to the upper side of the first portion. The flow area of at least the first part is the second circulation time Greater than the average flow area downstream of the circulation pump in the.
ここで、循環ポンプよりも下流側の平均流路面積とは、循環ポンプの出口(吐出部)から蒸発器に至るまでの冷媒流路の面積の平均値を意味する。また、第1部分のみの流路面積が相対的に大きくなるようにしてもよいし、第1と第2部分を含む循環ポンプよりも上流側に位置するすべての部分における流路面積が、循環ポンプよりも下流側の平均流路面積よりも大きくなるようにしてもよい。 Here, the average flow path area on the downstream side of the circulation pump means the average value of the area of the refrigerant flow path from the outlet (discharge part) of the circulation pump to the evaporator. Further, the flow passage area of only the first portion may be relatively large, or the flow passage area in all portions located upstream of the circulation pump including the first and second portions may be circulated. You may make it become larger than the average flow path area of the downstream rather than a pump.
本構成によれば、少なくとも第1部分の流路面積を大きくすることで、循環回路内で生じた気泡が上昇しやすくなり、突出部分に溜まりやすくなる。また、第1部分において気泡が消滅しても、配管の径が大きいため、水撃が緩和される。結果として、水撃による騒音、振動や配管のダメージなどが抑制される。 According to this configuration, by increasing at least the flow path area of the first portion, bubbles generated in the circulation circuit are likely to rise and easily accumulate in the protruding portion. Even if the bubbles disappear in the first portion, the water hammer is mitigated because the diameter of the pipe is large. As a result, noise, vibration, damage to piping, and the like due to water hammer are suppressed.
ここで、突出部分は蒸発器よりも上側に突出することが好ましい。 Here, it is preferable that the protruding portion protrudes above the evaporator.
これにより、十分な気相空間を確保することができる。結果として冷媒流路内の気泡を低減することができる。 Thereby, sufficient gas phase space can be secured. As a result, bubbles in the refrigerant flow path can be reduced.
第1部分の流路面積は、第2循環回路における循環ポンプよりも下流側の平均流路面積の2倍以上16倍以下であることが好ましい。 The flow path area of the first portion is preferably not less than 2 times and not more than 16 times the average flow path area on the downstream side of the circulation pump in the second circulation circuit.
これにより、第1部分の配管に要するスペースが過度に大きくなることを抑制しながら、水撃による騒音、振動や配管のダメージなどを抑制する効果を安定して得ることができる。 Thereby, the effect which suppresses the noise by a water hammer, the vibration, the damage of piping, etc. can be acquired stably, suppressing the space required for piping of the 1st part becoming large too much.
本発明に係る放熱システムは、他の局面では、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の蒸発器よりも下方に設けられた循環ポンプを含み、冷媒を放熱部に導いてから蒸発器内に戻す第2循環回路と、第2循環回路における循環ポンプの入口近傍および/または出口近傍の冷媒流路に接続され、上下方向に延びる部分を有する脈動吸収パイプとを備える。 In another aspect, the heat dissipation system according to the present invention is provided around the heat source, and includes an evaporator that evaporates the internal refrigerant, and a condenser that receives the evaporated refrigerant and condenses the refrigerant. A first circulation circuit for returning the refrigerant into the evaporator; a refrigerant flow path connected to the lower part of the evaporator; and a circulation pump provided below the evaporator of the refrigerant flow path, And a pulsation absorption pipe having a portion extending in the vertical direction and connected to the refrigerant flow path in the vicinity of the inlet and / or outlet of the circulation pump in the second circulation circuit.
本構成によれば、冷媒流路内の脈動に伴う圧力変動を抑制することができる。結果として、キャビテーションの発生に伴なう水撃による騒音、振動や配管のダメージなどが抑制される。 According to this structure, the pressure fluctuation accompanying the pulsation in a refrigerant flow path can be suppressed. As a result, noise, vibration, piping damage, and the like due to water hammer accompanying cavitation are suppressed.
ここで、脈動吸収パイプの先端部は蒸発器よりも上側に突出していることが好ましい。 Here, it is preferable that the front-end | tip part of a pulsation absorption pipe protrudes above an evaporator.
これにより、脈動吸収パイプの先端部に安定して気相空間を確保することができる。結果として、脈動吸収能力が向上する。 Thereby, a gas phase space can be secured stably at the tip of the pulsation absorbing pipe. As a result, the ability to absorb pulsation is improved.
脈動吸収パイプの周囲に断熱手段が備えられてもよい。 A heat insulating means may be provided around the pulsation absorbing pipe.
これにより、脈動吸収パイプ内の温度が高くなり、脈動吸収パイプ先端部の気相空間の体積が大きくなり、脈動吸収能力が向上する。 Thereby, the temperature in a pulsation absorption pipe becomes high, the volume of the gaseous-phase space of the pulsation absorption pipe front-end | tip part becomes large, and a pulsation absorption capability improves.
循環ポンプとしては、圧電ポンプが用いられる場合がある。圧電ポンプを用いることで脈動が生じ、冷媒中に気泡が生じやすくなる。本願発明によれば、この気泡の発生、消滅による水撃を抑制するという効果が生じる。 A piezoelectric pump may be used as the circulation pump. By using the piezoelectric pump, pulsation is generated, and bubbles are easily generated in the refrigerant. According to the present invention, there is an effect of suppressing water hammer due to the generation and disappearance of the bubbles.
本発明に係るスターリング冷却庫は、スターリング冷凍機の高温部を熱源として構成された、上述した放熱システムを備える。 The Stirling refrigerator according to the present invention includes the above-described heat dissipation system configured with the high temperature part of the Stirling refrigerator as a heat source.
上述した放熱システムにおいては、冷媒配管中の水撃が抑制されている。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, water hammer 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、水撃による騒音、振動や配管へのダメージが抑制された放熱システムおよび該システムを備えたスターリング冷却庫が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the Stirling refrigerator provided with the thermal radiation system and this system with which the noise, the vibration, and the damage to piping were suppressed by the water hammer are provided.
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3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. 1 to 3.
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、スターリング冷凍機を備えたスターリング機関搭載機器としてのスターリング冷却庫について説明するが、本発明に係る放熱システムが設けられるスターリング機関搭載機器は、スターリング冷却庫に限定されるものではない。スターリング機関は、たとえば、発電機としても用いられる。 Further, in the present embodiment, a Stirling cooler as a Stirling engine mounted device provided with a Stirling refrigerator will be described, but the Stirling engine mounted device provided with the heat dissipation system according to the present invention is limited to the Stirling cooler. It is not something. The Stirling engine is also used as a generator, for example.
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の配管系統図である。 FIG. 1 is a piping system diagram of a Stirling cooler according to one embodiment of the present invention.
本実施の形態に係るスターリング冷却庫1は、図1に示すように、放熱部2と吸熱部3とを有するスターリング冷凍機4(スターリング機関)と、放熱部2に取付けられた高温側蒸発器5、高温側凝縮器7およびパイプ2A,2Bを含む第1高温側循環回路(第1循環回路)と、高温側蒸発器5、循環ポンプ6、発露防止パイプ9、パイプ2C,2D,2E,2Fおよびサクションタンク32を含む第2高温側循環回路(第2循環回路)と、吸熱部3に取付けられた低温側凝縮器10、低温側蒸発器11およびパイプ3A,3Bを含む低温側循環回路とを備える。第1高温側循環回路は、スターリング冷凍機4の放熱部2の冷却を行ない、第2高温側循環回路は、発露防止パイプ9に熱を供給する。また、低温側循環回路は、冷却庫内の空気とスターリング冷凍機4の吸熱部3との熱交換を行なう。
As shown in FIG. 1, the Stirling refrigerator 1 according to the present embodiment includes a Stirling refrigerator 4 (Stirling engine) having a
第1と第2高温側循環回路内には水(H2O)などが冷媒として封入されている。高温側蒸発器5において蒸発した冷媒はパイプ2A(高温側導管)を介して高温側凝縮器7に達する(図1中の破線矢印)。高温側凝縮器7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。この熱交換を促進するために、高温側凝縮器7近傍に気流を生じさせるファン8が設けられている。凝縮した冷媒は、パイプ2B(高温側戻り管)を介して高温側蒸発器5に戻る。第1高温側循環回路においては、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、放熱部2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7が高温側蒸発器5より上方に配置されている。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(ほぼ真空状態に減圧)されている。
Water (H 2 O) or the like is sealed as a refrigerant in the first and second high temperature side circulation circuits. The refrigerant evaporated in the high
一方、高温側蒸発器5の下部には、パイプ2Cが接続されている。高温側蒸発器5からパイプ2Cに液相の冷媒が流入する。パイプ2Cに流入した冷媒は、サクションタンク32およびパイプ2Dを介して、スターリング冷凍機4よりも下方に設けられた循環ポンプ6に達する。循環ポンプ6から吐出された冷媒は、パイプ2Eを介して発露防止パイプ9に送られる。ここで、発露防止パイプ9内を流れる冷媒は、スターリング冷凍機4の放熱部2から与えられた熱により比較的高温に保たれている。したがって、発露防止パイプ9を冷却庫の前面に配置することで、ドア部等における発露を抑制することができる。発露防止パイプ9内を流れた冷媒は、パイプ2Fを介して高温側蒸発器5内に戻る。このように、第2高温側循環回路においては、循環ポンプ6による強制循環が行なわれている。なお、循環ポンプ6の出口近傍に位置するパイプ2Eには、脈動吸収パイプ33が接続されている。
On the other hand, a
サクションタンク32は、上下方向に延在し、パイプ2Cとパイプ2Dとを繋ぐ流路部分320と、流路部分320から上側に突出する突出部分321とを有する。ここで、サクションタンク32の流路面積は、パイプ2C,2D,2E,2Fおよび発露防止パイプ9の流路面積よりも大きい。
The
上述したように、第2高温側循環回路においては、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が低く設定されており、蒸発器5から循環ポンプ6に至る冷媒流路内を流れる冷媒はほぼ飽和液に近い状態であると考えられる。したがって、局所的な圧力変動により冷媒中に気泡が発生し、これが再び液相に戻る際に大きな体積変動による衝撃(水撃)がもたらされ、騒音、振動や配管のダメージの要因になることが懸念される。
As described above, in the second high temperature side circulation circuit, in order to adjust the boiling point of the refrigerant, the pressure in the circulation circuit system is set low, and the inside of the refrigerant flow path from the
これに対し、上記のような断面積の大きいサクションタンク32を設けることにより、流路部分320において発生した気泡を上側に移動させやすくすることができる。上側に移動した気泡は、突出部分321に溜められる。ここで、突出部分321の上端を高温側蒸発器5よりも上側に突出させることで、高温側蒸発器5中の冷媒の液面高さに関わらず、突出部分321の先端部に安定してガス空間を確保することができる。
On the other hand, by providing the
サクションタンク32の軸方向断面形状については、適宜変更することが可能であるが、当該断面形状が円形である場合、その径はその他のパイプの流路面積の1.5倍以上4倍以下程度であることが好ましい。たとえば、パイプ2C,2D,2E,2Fおよび発露防止パイプ9の内径が6mm程度である場合、サクションタンク32の内径の好ましい範囲は、9mm以上24mm以下程度になる。換言すると、サクションタンク32の流路面積は第2高温側循環回路におけるその他のパイプの流路面積の2倍以上16倍以下程度であることが好ましい。
The axial cross-sectional shape of the
これにより、サクションタンク32の配置に要するスペースが過度に大きくなることを抑制しながら、水撃による騒音、振動や配管のダメージなどを抑制する効果を安定して得ることができる。
Thereby, the effect which suppresses the noise by a water hammer, the vibration, the damage of piping, etc. can be acquired stably, suppressing that the space required for arrangement | positioning of the
なお、図1に示す例では、サクションタンク32の流路面積のみが相対的に大きく設定されているが、サクションタンク32の流路部分320およびパイプ2C,2D(循環ポンプ6よりも上流側に位置するパイプ)の流路面積が、パイプ2E,2Fおよび発露防止パイプ9(循環ポンプ6よりも下流側に位置するパイプ)の平均流路面積よりも大きくなるように設定されてもよい。たとえば、パイプ2C,2Dとしてサクションタンク32と同じ太さのパイプを用いることが考えられる。
In the example shown in FIG. 1, only the flow passage area of the
脈動吸収パイプ33は、上下方向に延在する。脈動吸収パイプ33の先端部には、ガス空間が形成され、脈動吸収パイプ33内の冷媒がパイプ2Eに流れ込んだり、パイプ2E内の冷媒が脈動吸収パイプ33内に流れ込んだりすることで、パイプ2E内の流れの脈動が低減される。脈動は、局所的な圧力変動に起因するキャビテーションの発生に繋がるので、脈動吸収パイプ33が設けられることにより、キャビテーションの発生が抑制される。
The
なお、図1に示す例では、脈動吸収パイプ33は循環ポンプ6の下流側(出口近傍)にのみ設けられているが、循環ポンプ6の上流側(入口近傍)にも脈動吸収パイプ(図示せず)を設けてもよい。これにより、循環ポンプ6の入口側においても脈動が抑制される。また、循環ポンプ6の出口近傍および入口近傍の一方または両方に複数の脈動吸収パイプ33が接続されてもよい。
In the example shown in FIG. 1, the
循環ポンプ6としては、典型的には、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が、その他の形式のポンプが用いられてもよい。
As the
冷却庫内の空気とスターリング冷凍機4の吸熱部3との熱交換を行なう低温側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10において凝縮した冷媒はパイプ3A(低温側導管)を介して低温側蒸発器11に達する。低温側蒸発器11において冷媒が蒸発することで熱交換が行なわれる。この熱交換を促進するために、低温側蒸発器11近傍に気流を生じさせるファン12が設けられている。熱交換の後、ガス化された冷媒は、パイプ3B(低温側戻り管)を介して低温側凝縮器10に戻る。低温側循環回路においては、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、吸熱部3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11が低温側凝縮器10より下方に配置されている。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(ほぼ真空状態に減圧)されている。
Carbon dioxide, hydrocarbons, and the like are enclosed as a refrigerant in a low-temperature side circulation circuit that performs heat exchange between the air in the refrigerator and the
スターリング冷凍機4を作動させると、該冷凍機4の放熱部2で発生した熱が、高温側凝縮器7を介して空気と熱交換される。一方、スターリング冷凍機4の吸熱部3で発生した冷熱は、低温側蒸発器11を介して冷却庫内の空気と熱交換される。冷却庫内からの暖かくなった気流は、再び低温側蒸発器11近傍に送られ、繰り返し冷却される。
When the Stirling refrigerator 4 is operated, the heat generated in the
図2は、スターリング冷却庫1における第2高温側循環回路を示した図である。 FIG. 2 is a diagram showing a second high temperature side circulation circuit in the Stirling refrigerator 1.
図2を参照して、スターリング冷凍機4は、機械室31内に設けられる。第2高温側循環回路は、図2に示すように、高温側蒸発器5中の冷媒を高温側蒸発器5の下部からパイプ2C、サクションタンク32、パイプ2D、循環ポンプ6およびパイプ2Eを介して発露防止パイプ9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、パイプ2Fを介して高温側蒸発器5の上部から該蒸発器5内へと戻す。ここで、循環ポンプ6は、高温側蒸発器5よりも下方に設置されている。これにより、位置水頭差を利用して循環ポンプ6近傍を流れる冷媒の圧力を高くして、キャビテーションの発生を抑制することができる。
Referring to FIG. 2, Stirling refrigerator 4 is provided in
サクションタンク32および脈動吸収パイプ33には、それぞれ、液相部分32A,33Aと気相空間33A,33Bとが形成される。サクションタンク32および脈動吸収パイプ33の先端部を高温側蒸発器5よりも上側に突出させることで、サクションタンク32および脈動吸収パイプ33の先端部に気相空間32B,33Bを安定して確保することができる。これにより、上述した所望の効果を安定して得ることができる。
In the
また、脈動吸収パイプ33の周囲に断熱材(断熱手段)が設けられてもよい。たとえば、脈動吸収パイプ33を冷蔵庫本体1Aの側面または背面に設けられたウレタンなどの中に埋込むことが考えられる。これにより、脈動吸収パイプ33内の温度が高くなり、脈動吸収パイプ先端部の気相空間33Bの体積が大きくなり、脈動吸収能力が向上する。
Further, a heat insulating material (heat insulating means) may be provided around the
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、スターリング冷凍機4の放熱部2(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5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7とを含み、凝縮された冷媒を高温側蒸発器5内に戻す第1高温側循環回路と、高温側蒸発器5下部に接続されたパイプ2Cを含む冷媒流路および該冷媒流路に取付けられた循環ポンプ6を含み、冷媒を発露防止パイプ9(放熱部)に導いてから、該冷媒を高温側蒸発器5内に戻す第2高温側循環回路とを備え、第2高温側循環回路において、循環ポンプ6を高温側蒸発器5よりも低い位置に配置し、第2高温側循環回路における高温側蒸発器5から循環ポンプ6に至るまでの冷媒流路は、高温側蒸発器5が位置する高さ近傍から循環ポンプ6が位置する高さ近傍に達するサクションタンク32の流路部分320(第1部分)と、流路部分320と循環ポンプ6および高温側蒸発器5とを接続するパイプ2C,2D(第2部分)とを有し、流路部分320の上端部から該流路部分320の上側に突出する突出部分321が設けられ、少なくともサクションタンク32の流路部分320の流路面積が、循環ポンプ6よりも下流側の流路であるパイプ2E,2Fおよび発露防止パイプ9の平均流路面積よりも大きい。
The heat dissipating system according to the present embodiment is provided around the heat dissipating unit 2 (heat source) of the Stirling refrigerator 4, accepts the high-
本構成においては、サクションタンク32の流路部分320の流路面積が比較的大きいため、サクションタンク32内で生じた気泡は上昇しやすい。上昇した気泡は、突出部分321に溜められる。また、流路部分320において一旦発生した気泡が消滅しても、サクションタンク32の径が大きいため、体積変化に起因する水撃が緩和される。結果として、水撃による騒音、振動や配管のダメージなどが抑制される。
In this configuration, since the flow path area of the
上記放熱システムは、第2高温側循環回路における循環ポンプ6の出口近傍のパイプ2E(冷媒流路)に接続され、上下方向に延びる部分を有する脈動吸収パイプ33を備える。
The heat dissipation system includes a
これにより、循環ポンプ6の出口近傍に位置するパイプ2E内の脈動に伴う圧力変動を抑制することができる。当該箇所は、圧力変動に起因する水撃がもたらされる頻度が比較的高い箇所であるため、ここに脈動吸収パイプ33が設けられることにより、水撃による騒音、振動や配管のダメージなどが抑制される。
Thereby, the pressure fluctuation accompanying the pulsation in the
上述した放熱システムにおいては、冷媒流路中の水撃が抑制されている。したがって、騒音、振動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, water hammer in the refrigerant flow path is suppressed. Therefore, a Stirling cooler in which noise, vibration and the like are suppressed is provided.
次に、図3を用いて、スターリング冷凍機4の構造の一例およびその動作について説明する。 Next, an example of the structure of the Stirling refrigerator 4 and its operation will be described with reference to FIG.
図3に示すように、本実施の形態のスターリング冷凍機4は、フリーピストン型のスターリング機関であって、ケーシング30と、該ケーシング30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2と、吸熱部3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. 3, the Stirling refrigerator 4 of the present embodiment is a free piston type Stirling engine, and includes a
図3の例では、スターリング冷凍機4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30(ベッセル部分)と、作動空間17側に位置する放熱部2、チューブ18Aおよび吸熱部3とで主に構成される。ケーシング30は、背圧空間27を規定する。ケーシング30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. 3, the outer shell (outer wall) of the Stirling refrigerator 4 is not formed of a single container, but is positioned on 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とフリーピストンとしてのディスプレーサ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3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2によって囲まれ、膨張空間17Bは主に吸熱部3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4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、後述する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30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30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30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2、吸熱部3の内周面上には、それぞれ熱交換器18と熱交換器19とが設けられる。熱交換器18,19は、それぞれ、圧縮空間17A,膨張空間17Bと放熱部2,吸熱部3との間の熱交換を行なう。
A
ケーシング30の後方側には、板バネ28を介してバランスマス29が取付けられている。バランスマス29は、ピストン14やディスプレーサ15が振動することによって生じるケーシング30の振動を吸収する質量部材である。具体的には、ピストン14やディスプレーサ15が振動することによってケーシング30に振動が生じた場合に、このケーシング30の振動に対して追従するようにバランスマス29が振動することにより、スターリング冷凍機4の振動が低減される。
A
次に、このスターリング冷凍機4の動作について説明する。 Next, the operation of the Stirling refrigerator 4 will be described.
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2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3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(後方側)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3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。
As described above, 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3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2は徐々に高温になる。上述したように、吸熱部3における冷熱は、低温側循環回路を介して冷却庫内に供給され、放熱部2における熱は、第1と第2高温側循環回路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
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、2 放熱部、2A〜2F パイプ(高温側循環回路)、3 吸熱部、3A,3B パイプ(低温側循環回路)、4 スターリング冷凍機、5 高温側蒸発器、6 循環ポンプ、7 高温側凝縮器、8 ファン、9 発露防止パイプ、10 低温側凝縮器、11 低温側蒸発器、12 ファン、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、18,19 熱交換器、18A チューブ、20 インナーヨーク、21 可動マグネット、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、28 板バネ、29 バランスマス、30 ケーシング、31 機械室、32 サクションタンク、32A,33A 液相部分、32B,33B 気相空間、33 脈動吸収パイプ、320 流路部分、321 突出部分。
1 Stirling refrigerator, 2 heat dissipating section, 2A to 2F pipe (high temperature side circulation circuit), 3 heat absorption section, 3A, 3B pipe (low temperature side circulation circuit), 4 Stirling refrigerator, 5 high temperature side evaporator, 6 circulation pump, 7 High-temperature side condenser, 8 fan, 9 Dew prevention pipe, 10 Low-temperature side condenser, 11 Low-temperature side evaporator, 12 Fan, 13 Cylinder, 14 Piston, 15 Displacer, 16 Regenerator, 17 Working space, 17A Compression space, 17B expansion space, 18, 19 heat exchanger, 18A tube, 20 inner yoke, 21 movable magnet, 22 outer yoke, 23 linear motor, 24 piston spring, 25 displacer spring, 26 displacer rod, 27 back pressure space, 28
Claims (6)
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の前記蒸発器よりも下方に設けられた循環ポンプを含み、前記冷媒を放熱部に導いてから前記蒸発器内に戻す第2循環回路とを備え、
前記第2循環回路における前記蒸発器から前記循環ポンプに至るまでの前記冷媒流路は、前記蒸発器が位置する高さ近傍から前記循環ポンプが位置する高さ近傍に達する第1部分と、前記第1部分と前記循環ポンプおよび前記蒸発器とを接続する第2部分とを有し、
前記第1部分の上端部から該第1部分の上側に突出する突出部分が設けられ、
少なくとも前記第1部分の流路面積が前記第2循環回路における前記循環ポンプよりも下流側の平均流路面積よりも大きい放熱システム。 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 to the evaporator. Circuit,
A refrigerant flow path connected to a lower portion of the evaporator and a circulation pump provided below the evaporator in the refrigerant flow path, and a second circulation for guiding the refrigerant to a heat radiating portion and returning the refrigerant into the evaporator With circuit,
The refrigerant flow path from the evaporator to the circulation pump in the second circulation circuit has a first portion that reaches from the vicinity of the height where the evaporator is located to the height where the circulation pump is located, A first part and a second part connecting the circulation pump and the evaporator;
A protruding portion protruding from the upper end of the first portion to the upper side of the first portion;
A heat dissipation system in which at least the flow area of the first portion is larger than the average flow area on the downstream side of the circulation pump in the second circulation circuit.
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の前記蒸発器よりも下方に設けられた循環ポンプを含み、前記冷媒を放熱部に導いてから前記蒸発器内に戻す第2循環回路と、
前記第2循環回路における前記循環ポンプの入口近傍および/または出口近傍の前記冷媒流路に接続され、上下方向に延びる部分を有する脈動吸収パイプ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 to the evaporator. Circuit,
A refrigerant flow path connected to a lower portion of the evaporator and a circulation pump provided below the evaporator in the refrigerant flow path, and a second circulation for guiding the refrigerant to a heat radiating portion and returning the refrigerant into the evaporator Circuit,
A heat dissipation system comprising: a pulsation absorption pipe having a portion extending in a vertical direction, connected to the refrigerant flow path in the vicinity of the inlet and / or outlet of the circulation pump in the second circulation circuit.
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