JP2007192448A - サーモサイフォン - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒凍結温度以下の環境温度にさらされたとしてもダメージを受けにくいサーモサイフォンを提供する。
【解決手段】高温側サーモサイフォン６０は、高温側蒸発器６１と高温側凝縮器６２を冷媒配管６４Ｇ、６４Ｌで接続した密閉系の中に液状の二次冷媒６３を封入したものであり、高温側蒸発器６１内で蒸発した二次冷媒６３を高温側凝縮器６２内で凝縮させることにより、高温側蒸発器６１から高温側凝縮器６２へと二次冷媒６３の潜熱を利用して熱を移動させる。高温側凝縮器６２は高温側蒸発器６１より高い位置に配置される。高温側蒸発器６１は、密閉系内の二次冷媒６３が全て液化して高温側蒸発器６１に集結し、その二次冷媒６３が全て凍結したときの体積よりも大なる容積を備える。高温側蒸発器６１の外面は、下面を除き断熱材６５で覆われる。
【選択図】図３

Description

本発明は冷媒の潜熱を利用して熱を移動させるサーモサイフォンに関する。

蒸発器と凝縮器を冷媒配管で接続した密閉系の中に液状の冷媒を封入し、蒸発器内で蒸発した冷媒を凝縮器内で凝縮させることにより、蒸発器から凝縮器へと冷媒の潜熱を利用して熱を移動させるサーモサイフォンは、スターリング冷凍機のウォームヘッド（高温部）の放熱用にしばしば利用される。その例を特許文献１、２に見ることができる。
特開２００５−２１４４７９号公報（［０００５］−［００１１］、図４） 特開２００５−４２９４９号公報（［００４３］−［００４９］、図１）

スターリング冷凍機のウォームヘッド（高温部）の放熱に用いられるサーモサイフォンは、スターリング冷凍機が稼働中であれば所定以上の温度に維持されるが、スターリング冷凍機が停止すると環境温度にまで温度が低下して行く。寒冷地で、しかも冬季の場合、環境温度が著しく低下し、冷媒の凍結温度を下回ることもあり得る。スターリング冷凍機を冷却庫（「冷却庫」とは、食品その他の物品の温度を下げる装置全般を指す概念であり、「冷蔵庫」「冷凍庫」「冷凍冷蔵庫」「ショーケース」といった商品としての名称を問わない）に組み付け、その冷却庫を倉庫や屋外で保管する場合など、このようなことになりやすい。

凍結点が低く、冬季の寒冷地であっても凍結を懸念せずに済む冷媒も存在する。Ｒ２２などのフロン系冷媒、１３４ａなどの代替フロン系冷媒、炭化水素系冷媒、アンモニアなどがそれである。しかしながらフロン系冷媒は廃止されており、代替フロン系冷媒も廃止の方向にある。炭化水素系冷媒は可燃性で爆発の危険を伴い、アンモニアは毒性を持つ。いきおい、家庭用機器に用いられるサーモサイフォンの冷媒としては水や水とアルコールの混合液などが選択されるが、これらの冷媒は凍結点が高く、寒冷地の冬季の環境温度だと凍結することが多い。そして凍結の結果サーモサイフォンが破裂する危険性をはらむ。

本発明は上記の問題に対処するためになされたもので、サーモサイフォンが冷媒凍結温度以下の環境温度にさらされる事態を想定し、そのような事態に陥ったとしてもダメージを受けにくいサーモサイフォンを提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するために本発明は、蒸発器と凝縮器を冷媒配管で接続した密閉系の中に液状の冷媒を封入し、前記蒸発器内で蒸発した冷媒を前記凝縮器内で凝縮させることにより、蒸発器から凝縮器へと冷媒の潜熱を利用して熱を移動させるサーモサイフォンにおいて、前記凝縮器を前記蒸発器より高い位置に配置するとともに、前記蒸発器には、前記密閉系内の冷媒が全て液化して集結し、前記冷媒が全て凍結したときの体積よりも大なる容積を備えさせることを特徴としている。

この構成によると、凝縮器が蒸発器より高い位置にあるので、サーモサイフォンが冷えたとき、凝縮器内で凝縮した冷媒は蒸発器に戻り、凝縮器内には冷媒が殆ど残らない。従って環境温度が冷媒凍結点以下になったとしても凝縮器内で冷媒が凍結して凝縮器を破壊することがない。そして蒸発器には、全冷媒が凍結したとしてもその体積膨張を許容できるだけの容積を持たせてあるので、冷媒凍結による蒸発器破壊の懸念は著しく軽減される。

（２）また本発明は、上記構成のサーモサイフォンにおいて、前記蒸発器の外面を、下面を除き断熱材で覆ったことを特徴としている。

この構成によると、環境温度が低下したときに冷えるのは蒸発器の下部であり、氷の結晶が成長を始めるのは蒸発器の内底面である。冷媒の上層部は長らく液体のまま残り、凍結部分の体積膨張により液面が上昇したとしても蒸発器の形状に応じて自在に形を変えられるので、蒸発器の壁に破壊的な力を及ぼすおそれが少ない。

（３）また本発明は、上記構成のサーモサイフォンにおいて、前記蒸発器の外面に、内部の冷媒液面レベルを挟んで上下に所定の幅を有する断熱材の帯を添着したことを特徴としている。

この構成によると、環境温度が低下したときに氷の結晶が成長し始めるのは断熱材の帯から外れた蒸発器の底の方からである。冷媒の上層部は長らく液体のまま残り、凍結部分の体積膨張により液面が上昇したとしても蒸発器の形状に応じて自在に形を変えられるので、蒸発器の壁に破壊的な力を及ぼすおそれが少ない。また蒸発器の上面部は断熱材で覆わないので断熱材のコストを低減できるうえ、蒸発器の上面から延び出した配管をどのように断熱材に通すかについて頭を悩ます必要もない。

（４）また本発明は、上記構成のサーモサイフォンが、スターリング冷凍機の放熱に用いられることを特徴としている。

この構成によると、寒冷地で使用してもサーモサイフォンの凍結破壊を懸念せずに済むスターリング冷凍機を提供できる。

（５）また本発明は、上記構成のサーモサイフォンが、冷却庫用のスターリング冷凍機の放熱に用いられることを特徴としている。

この構成によると、寒冷地で使用してもサーモサイフォンの凍結破壊を懸念せずに済む冷却庫を提供できる。

本発明によると、サーモサイフォンが冷媒凍結点以下の環境温度にさらされ、全冷媒が凍結したとしても、冷媒の体積膨張によって蒸発器が破壊されるおそれが少ない。また、断熱材の使用により、冷媒の凍結が蒸発器の底面から始まるように誘導し、冷媒上層部の凍結による蒸発器の破壊を防ぐことができる。

以下本発明の第１実施形態を図１−４に基づき説明する。図１は冷却庫の垂直断面図、図２は冷却サイクルの概略構成図、図３は高温側サーモサイフォンの蒸発器の断面図、図４は同じく高温側サーモサイフォンの蒸発器の断面図にして冷媒凍結進行中の状態を表すものである。

冷却庫１は食品保存用であり、ベース１２によって床上に支えられる断熱筐体１０が本体を構成する。断熱筐体１０の内部は水平仕切壁１１により上下２段に仕切られており、上段は冷蔵室２０、下段は冷凍室３０という設定になっている。冷蔵室２０と冷凍室３０とは、共に前面（図１において左側）が食品を出し入れするための開口部となっており、この開口部を断熱扉２１、３１が閉ざす。

断熱筐体１０の背面部には機械室４０が形成される。機械室４０は板金製の部品を組み合わせて構成された直方体形状の構造物であり、背面側が開口している。この機械室４０の中にスターリング冷凍機５０が設置される。機械室４０は冷蔵室２０と冷凍室３０の間の高さに置かれている。

スターリング冷凍機５０を設置した後、機械室４０の背面側開口を蓋４４で閉ざす。蓋４４には、後述する高温側凝縮器を冷却する空気を取り入れるための通風口４５と、後述する高温側凝縮器を空冷するダクトの出口を接続するための開口４７が形成されている。

スターリング冷凍機５０は逆スターリングサイクルにより温熱と冷熱を発生するものであり、温熱は主としてウォームヘッド５１（図２参照）から放熱され、冷熱はコールドヘッド５２から取り出される。

ウォームヘッド５１の温熱は高温側サーモサイフォン６０によって放熱される。高温側サーモサイフォン６０は高温側蒸発器６１と高温側凝縮器６２を冷媒配管で接続した密閉系の中に液状の二次冷媒６３（図３参照）を封入したものである。二次冷媒６３は水（水溶液を含む）あるいは炭化水素系の冷媒からなる。

高温側蒸発器６１は銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属を中空のリング状に成形したものであり、ウォームヘッド５１の外周面に嵌合し、ウォームヘッド５１に熱接続される。高温側蒸発器６１の上面からは高温側凝縮器６２に接続する２本の冷媒配管６４Ｇ、６４Ｌが引き出される。冷媒配管６４Ｇは蒸発して気体となった二次冷媒６３を高温側凝縮器６２に送るためのものであり、冷媒配管６４Ｌは高温側凝縮器６２で凝縮して液体となった二次冷媒６３を高温側蒸発器６１に戻すためのものである。

高温側凝縮器６２は、銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属からなるパイプ６２ａを折り曲げ、これに、同じく熱伝導の良い金属からなる多数の放熱フィン６２ｂを取り付けた構造であり、送風機９１がこれを冷却する。高温側凝縮器６２の一端には冷媒配管６４Ｇが接続され、他端には冷媒配管６４Ｌが接続される。

高温側凝縮器６２はスターリング冷凍機５０の本体５３の上方に配置され、従って高温側蒸発器６１よりも位置が高い。この位置関係により、高温側凝縮器６２内の二次冷媒６３は凝縮すれば全て高温側蒸発器６１に戻ることになる。高温側蒸発器６１には、密閉系内の二次冷媒６３が全て液化して高温側蒸発器６１に集結し、その二次冷媒６３が全て凍結したときの体積よりも大なる容積を備えさせる

高温側蒸発器６１の外面は、下面を除き断熱材６５で覆われる。断熱材６５の下端は冷媒６３の液面より下にある（図３参照）。断熱材６５としてはウレタン発泡体やスチレン発泡体を用いることができる。

コールドヘッド５２には低温側凝縮器７１が取り付けられる（図２参照）。コールドヘッド５２と低温側凝縮器７１は互いの間で熱を授受する状態、すなわち熱接続された状態にある。

冷凍室３０の奥には庫内を冷却する庫内冷却器としての役割を果たす低温側蒸発器７２が設置される。低温側凝縮器７１と低温側蒸発器７２とは冷媒配管で接続され、低温側サーモサイフォン７０を構成する。低温側サーモサイフォン７０にはＣＯ２などの自然冷媒を封入する。

低温側蒸発器７２も、高温側凝縮器６２と同様、銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属からなるパイプ７２ａを折り曲げたうえで熱伝導の良い金属からなる多数の吸熱フィン７２ｂを取り付けた構造である。

スターリング冷凍機５０を運転すると、ウォームヘッド５１は高温となり、コールドヘッド５２は低温となる。ウォームヘッド５１の熱は外部に放熱すべき廃熱であるが、これは高温側サーモサイフォン６０の二次冷媒６３を蒸発させて二次冷媒６３の気体の中に潜熱として内在した後、高温側凝縮器６２の中で二次冷媒６３が凝縮することにより顕熱として解放され、環境中に放熱される。

コールドヘッド５２の冷熱は低温側サーモサイフォン７０を介して低温側蒸発器７２に伝えられる。送風機８３を運転すると、冷却ダクト８０の下端の吸気口８２から冷凍室３０の中の空気が吸い込まれ、低温側蒸発器７２を通過する。また図示しない戻りダクトを通じ、冷蔵室２０の中の空気が冷却ダクト８０に吸い込まれ、同じく低温側蒸発器７２を通過する。低温側蒸発器７２を通過する空気は冷却されて冷気となる。

冷気は送風機８３により冷却ダクト８１に吹き込まれ、冷却ダクト８１の上方部分（水平仕切壁１１より上の部分）に設けられた吹出口８４を通じて冷蔵室２０に、また冷却ダクト８１の下方部分（水平仕切壁１１より下の部分）に設けられた吹出口８５を通じて冷凍室３０に、それぞれ送り込まれる。このようにして冷蔵室２０及び冷凍室３０にはそれぞれ所定量の冷気が送り込まれ（または送り込まれず）、冷蔵室２０及び冷凍室３０はそれぞれ所定の温度に冷却される。断熱筐体１０の背面上部に設置された制御部１３が上記の運転制御を司る。

高温側サーモサイフォン６０は、スターリング冷凍機５０が稼働中であれば所定以上の温度に維持される。スターリング冷凍機５０が停止すれば環境温度にまで温度が低下して行く。高温側凝縮器６２の中の二次冷媒６３は凝縮し、高温側蒸発器６１に戻る。環境温度が二次冷媒６３の凍結温度以下であると、やがて高温側蒸発器６１の中の二次冷媒６３が凍結し始める。

高温側蒸発器６１の上部は断熱材６５で覆われているので、むき出しになった下部に環境の冷熱が集中する。高温側蒸発器６１の下部が集中的に冷やされることにより、高温側蒸発器６１の内底面から二次冷媒６３の氷の結晶が成長を始める。すなわち図４に見られるように高温側蒸発器６１の内底面にまず氷の層６６が生じ、それが次第に厚みを増して行く。二次冷媒６３の上層部は長らく液体のまま残り、凍結部分の体積膨張により液面が上昇したとしても高温側蒸発器６１の形状に応じて自在に形を変えられるので、高温側蒸発器６１の壁に破壊的な力を及ぼすおそれが少ない。

前述のように、高温側蒸発器６１には、密閉系内の二次冷媒６３が全て液化して高温側蒸発器６１に集結し、その二次冷媒６３が全て凍結したとしてもその体積膨張を許容できるだけの容積が与えられている。従って二次冷媒６３の凍結による高温側蒸発器６１の破壊の可能性は低い。

本発明の第２実施形態を図５に示す。図５は図４と同様の高温側サーモサイフォンの蒸発器の断面図である。

第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、高温側蒸発器６１の断熱範囲である。すなわち第１実施形態では高温側蒸発器６１の下面を除く外面全体を断熱材６５が覆っていたのに対し、第２実施形態では内部の二次冷媒６３の液面レベルを挟んで上下に所定の幅を有する断熱材の帯６７が高温側蒸発器６１の外面に添着されているのみであり、高温側蒸発器６１は下面に加え上面もむき出しになっている。

第２実施形態においても、環境温度が二次冷媒６３の凍結温度以下に低下すると、二次冷媒６３が接している高温側蒸発器６１の内底面から二次冷媒６３が凍結して氷の層６６が生じる。二次冷媒６３の上層部は長らく液体のまま残り、凍結部分の体積膨張により液面が上昇したとしても高温側蒸発器６１の形状に応じて自在に形を変えられるので、高温側蒸発器６１の壁に破壊的な力を及ぼすおそれが少ない。また高温側蒸発器６１の上面部は断熱材で覆わないので断熱材のコストを低減できるうえ、高温側蒸発器６１の上面から延び出した冷媒配管６４Ｇ、６４Ｌをどのように断熱材に通すかについて頭を悩ます必要もない。

以上、本発明の各実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は冷媒の潜熱を利用して熱を移動させるサーモサイフォンに広く利用可能である。

冷却庫の垂直断面図 冷却サイクルの概略構成図 高温側サーモサイフォンの蒸発器の断面図 高温側サーモサイフォンの蒸発器の断面図にして冷媒凍結進行中の状態を表すもの 第２実施形態に係る高温側サーモサイフォンの蒸発器の断面図

符号の説明

１ 冷却庫
１０ 断熱筐体
１３ 制御部
２０ 冷蔵室
３０ 冷凍室
４０ 機械室
５０ スターリング冷凍機
５１ ウォームヘッド
５２ コールドヘッド
６０ 高温側サーモサイフォン
６１ 高温側蒸発器
６２ 高温側凝縮器
６４Ｇ、６４Ｌ 冷媒配管
７０ 低温側サーモサイフォン
７１ 低温側凝縮器
７２ 低温側蒸発器
９１ 送風機

Claims (5)

1. 蒸発器と凝縮器を冷媒配管で接続した密閉系の中に液状の冷媒を封入し、前記蒸発器内で蒸発した冷媒を前記凝縮器内で凝縮させることにより、蒸発器から凝縮器へと冷媒の潜熱を利用して熱を移動させるサーモサイフォンにおいて、
   前記凝縮器を前記蒸発器より高い位置に配置するとともに、前記蒸発器は、前記密閉系内の冷媒が全て液化して集結し、前記冷媒が全て凍結したときの体積よりも大なる容積を備えさせることを特徴とするサーモサイフォン。
2. 前記蒸発器の外面を、下面を除き断熱材で覆ったことを特徴とする請求項１に記載のサーモサイフォン。
3. 前記蒸発器の外面に、内部の冷媒液面レベルを挟んで上下に所定の幅を有する断熱材の帯を添着したことを特徴とする請求項１に記載のサーモサイフォン。
4. スターリング冷凍機の放熱に用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のサーモサイフォン。
5. 前記スターリング冷凍機が冷却庫に用いられることを特徴とする請求項４に記載のサーモサイフォン。

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