JP2008064384A - ループ型サーモサイフォンおよびスターリング冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率を向上するループ型サーモサイフォンおよびスターリング冷却庫を提供する。
【解決手段】ループ型サーモサイフォンは、軸心が水平方向に延在し放熱面８ａを含む熱源８から作動媒体を用いて熱を搬送するループ型サーモサイフォンであって、凝縮器１と、蒸発器２と、ガス管３と、液管４とを備えている。蒸発器２は、熱源８の放熱面８ａに装着された伝熱部２ａを含み、伝熱部２ａを介して熱源８と熱交換して作動媒体を蒸発させる。凝縮器１は、熱源８よりも鉛直方向における高い位置に配置され、蒸発器２で蒸発した作動媒体を凝縮させる。ガス管３は、蒸発器２と凝縮器１とを接続し、蒸発器２で蒸発した作動媒体を凝縮器１へ送る。液管４は、蒸発器２と凝縮器１とを接続し、凝縮器１で液化した作動媒体を蒸発器２へ送る。蒸発器２は、相対的に下方で作動媒体を貯留させる第１の液溜り部５と、相対的に上方で作動媒体を貯留させる第２の液溜り部６とを含むことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ループ型サーモサイフォンおよびスターリング冷却庫（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ／Ｆｒｅｅｚｅｒ）に関し、特に冷却効率の良好なループ型サーモサイフォンおよびスターリング冷却庫に関する。

熱源にて発生する熱を放熱する放熱システムとして、ヒートシンク、ヒートパイプおよびサーモサイフォン等を用いた放熱システムが知られている。ヒートシンクを用いた放熱システムにあっては、熱源に取り付けたヒートシンクに顕著な温度分布が生じるため、熱源から離れるにしたがって放熱に寄与しなくなり、放熱性能の向上には自ずと限界がある。

これに対して、ヒートパイプやサーモサイフォンを用いた放熱システムでは、熱源にて生じた熱を作動流体を用いて伝達するため、熱搬送能力がヒートシンクに比べて非常に高く、熱源から離れたところまで熱を伝達しても温度変化が小さいため、放熱性能を高く維持することが可能である。ヒートパイプは、閉回路内に配設されたウィックの毛管力などを用いて作動流体を循環させる毛管力駆動型熱搬送デバイスである。サーモサイフォンは、ヒートパイプのうち、作動流体が蒸発および凝縮することによって生じる作動流体の密度差を利用した重力駆動型熱搬送デバイスである。なお、ループ型サーモサイフォンとはループ状に構成された閉回路内を作動流体が循環するように構成されたサーモサイフォンである。

ヒートパイプを開示した文献として、たとえば特表２００６−５０８３２４号公報（特許文献１）がある。特許文献１では、１次ウイックを有する蒸発器、凝縮器、蒸発器と凝縮器とを接続する液体配管および蒸気配管とを備えている熱伝達システムが開示され、当該熱伝達システムを冷蔵庫に適用できることが開示されている。

また、スターリング冷凍機（スターリングエンジン）の伝熱部側にループ型サーモサイフォンを適用した文献として、たとえば特開２００１−３３１３９号公報（特許文献２）および特開２００１−６６０８０号公報（特許文献３）がある。特許文献２には、スターリング冷凍機の伝熱部に巻回されたサーマルサイフォンを構成する凝縮器部、凝縮器部の冷媒を加熱する蒸発器部、凝縮器部と蒸発器部とを接続する液体ラインおよび気体ラインとを備えている冷蔵庫が開示されている。

また、特許文献３には、重力方向に、上から凝縮着、液だめパイプ、蒸発器の順に設置されたループ型ヒートパイプが開示されている。

上記特許文献１〜３では、熱源である放熱部と、放熱部を囲むように構成された蒸発器との間の熱交換を促進させて、蒸発器内の作動流体の蒸発を促進することにより、冷却能力を向上できる。
特表２００６−５０８３２４号公報 特開２００１−３３１３９号公報 特開２００１−６６０８０号公報

ループ型サーモサイフォンにおいては、熱源を囲むように構成された放熱部と蒸発器との間の熱交換を促進させて、蒸発器内の作動流体である冷媒の蒸発を促すことにより、放熱部と冷媒との熱交換効率（冷却効率）を向上できる。しかしながら、上記特許文献１〜３では、放熱部と蒸発器との熱交換を促進させるためには、放熱部と蒸発器との密着性を高める必要があるが、それだけでは十分な冷却効率を得ることができないという問題がある。また、放熱部と蒸発器との接触面積を大きく確保すると、冷却効率は向上するものの、大型化してしまうという問題がある。装置が大型化すると、実用化は困難である。

また、蒸発器において冷媒が沸騰すると、冷媒が上方にもち上げられて、蒸発器の伝熱部上方に冷媒が接触することにより、冷媒の蒸発が促進される。しかし、冷媒の沸騰が弱い場合や、冷媒の量が適正でない場合には、伝熱部の上方において冷媒との接触が少ないために伝熱部が乾燥してしまうことがある。また、凝縮器で凝縮した冷媒を蒸発器に戻す際に、蒸発器の伝熱部の上方に接触するように戻すことで冷媒の蒸発が促進される。しかし、放熱量が小さい場合には、蒸発する冷媒が少なくなるので、伝熱部の上方が乾燥してしまう。また、放熱量が十分な場合でも、冷媒が蒸発器から凝縮器へ断続的に戻るので、伝熱部の上方で冷媒が常に接触している状態を保つことは難しい。このように、冷却効率が悪いと、放熱性能の不安定や、スターリングエンジンの高温側のヘッドに温度差が生じてしまう原因となり、スターリングエンジンの故障を引き起こしてしまう場合が発生する。

また、蒸発器および凝縮器を流動する冷媒の量を増やすと、冷媒の液面を上げて、伝熱部（放熱部）と冷媒との接触面積（放熱面積）を増やすことができる。しかし、蒸発器内部の冷媒の液量が大きくなるので、蒸発器下方における冷媒の蒸発が妨げられる。そのため、冷却効率が低下す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、冷却効率を向上するループ型サーモサイフォンおよびスターリング冷却庫を提供することである。

本発明のループ型サーモサイフォンは、軸心が水平方向に延在し放熱面を含む熱源から作動媒体を用いて熱を搬送するループ型サーモサイフォンであって、蒸発器と、凝縮器と、ガス管と、液管とを備えている。蒸発器は、熱源の放熱面に装着された伝熱部を含み、伝熱部を介して熱源と熱交換して作動媒体を蒸発させる。凝縮器は、熱源よりも鉛直方向における高い位置に配置され、蒸発器で蒸発した作動媒体を凝縮させる。ガス管は、蒸発器と凝縮器とを接続し、蒸発器で蒸発した作動媒体を凝縮器へ送る。液管は、蒸発器と凝縮器とを接続し、凝縮器で液化した作動媒体を蒸発器へ送る。蒸発器は、相対的に下方で作動媒体を貯留させる第１の液溜り部と、相対的に上方で作動媒体を貯留させる第２の液溜り部とを含むことを特徴としている。

本発明のループ型サーモサイフォンによれば、蒸発器の相対的に上方に第２の液溜り部を備えているので、凝縮器から戻る作動媒体を貯めることができる。そのため、蒸発器の相対的に上方に位置する伝熱部において作動媒体の蒸発を促進できる。よって、冷却効率を向上できる。

なお、上記第２の液溜り部は、内部に作動媒体を常時貯留させることができるものと、一時的に貯留させることができるものとを含む。

上記ループ型サーモサイフォンにおいて好ましくは、第２の液溜り部は、凝縮器から液管を介して戻る作動媒体を受けることを特徴としている。

これにより、作動媒体を第２の液溜り部に容易に貯留させることができる。そのため、蒸発器の相対的に上方に位置する伝熱部において作動媒体の蒸発をより促進できる。よって、冷却効率をより向上できる。

上記ループ型サーモサイフォンにおいて好ましくは、第２の液溜り部は、伝熱部の断面形状において水平方向で最も幅がある位置よりも上方に配置されることを特徴としている。

これにより、第１の液溜り部から蒸発した作動媒体の流路が妨げられない。そのため、作動媒体の蒸発をより促進できる。よって、冷却効率をより向上できる。

上記ループ型サーモサイフォンにおいて好ましくは、第１の液溜り部で覆われていない伝熱部の表面を第２の液溜り部で溜めた作動媒体で覆うことを特徴としている。

これにより、伝熱部と作動媒体との接触面積を増加させることができる。よって、冷却効率をより向上できる。

上記ループ型サーモサイフォンにおいて好ましくは、第２の液溜り部は、第２の液溜り部の周囲に位置する伝熱部の表面に作動媒体を供給する供給体を有していることを特徴としている。

これにより、第２の液溜り部に貯留している作動媒体を効率的に伝熱部の表面に供給できる。そのため、伝熱部と作動媒体との接触面積を増加させることができる。よって、冷却効率をより向上できる。

上記ループ型サーモサイフォンにおいて好ましくは、供給体は、ステンレス繊維からなるメッシュ状のフィルタであることを特徴としている。

これにより、第２の液溜り部に貯留している作動冷媒をより効率的に伝熱部の表面に供給できる。よって、冷却効率をより一層向上できる。

上記ループ型サーモサイフォンにおいて好ましくは、低温部と高温部とを備えたスターリングエンジンを搭載した冷却庫の高温部に取り付けられることを特徴としている。

上記ループ型サーモサイフォンは冷却効率を向上できるので、スターリングエンジンの高温部を効率的に冷却できる。

本発明のスターリング冷却庫は、上記ループ型サーモサイフォンを備えている。上記ループ型サーモサイフォンは冷却効率を向上できるので、スターリングエンジンの高温部を効率的に冷却できる。よって、スターリング冷却庫は、性能を向上できる。

なお、上記「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。

本発明のループ型サーモサイフォンおよびスターリング冷却庫によれば、第２の液溜り部に作動媒体を貯留できるので、冷却効率を向上できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンを示す断面図である。図１を参照して、本発明の実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンについて説明する。

図１に示すように、実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンは、軸心が水平方向に延在し放熱面８ａを含む熱源８から作動媒体を用いて熱を搬送するループ型サーモサイフォンであって、凝縮器１と、蒸発器２と、ガス管３と、液管４とを備えている。

凝縮器１は、熱源８よりも鉛直方向における高い位置に配置され、蒸発器２で蒸発した作動媒体を凝縮させる。サーモサイフォンを形成するために、凝縮器１は蒸発器２より鉛直方向において高い位置に配置している。凝縮器１は、たとえばフィン−チューブ型であり、チューブ内に作動媒体を流し、チューブ外に空気を流す。作動媒体と空気とを熱交換させることによって、作動媒体を冷却する。

蒸発器２は、熱源８の放熱面８ａに装着された伝熱部２ａを含み、伝熱部２ａを介して熱源８と熱交換して作動媒体を蒸発させる。すなわち、蒸発器２は、熱源８に生じる熱を奪い、蒸発器２内に充填された作動流体を蒸発させる。

また、蒸発器２の形状は、熱源８の放熱面８ａに装着することができれば特に限定されないが、密着して装着することが好ましい。実施の形態１では、後述する蒸発器２により冷却される熱源８の形状は円柱状であり、熱源８の放熱面８ａの形状は筒状であるので、蒸発器２の形状は放熱面８ａの形状に合わせた同寸法の丸い孔を設けた環状としている。

蒸発器２は、相対的に下方で作動媒体を貯留させる第１の液溜り部５と、相対的に上方で作動媒体を貯留させる第２の液溜り部６とを含んでいる。

図１に示すように、第１の液溜り部５は、蒸発器２の内部に液体状の作動媒体を常時貯留できる。第２の液溜り部６は、内部に液体状の作動媒体を常時貯留させることができるものと、一時的に貯留させることができるものとを含む。すなわち、第２の液溜り部６は、作動媒体を常時貯留できるものには限定されない。

第２の液溜り部６は、凝縮器１から液管４を介して戻る作動媒体を受けることが好ましい。また、第２の液溜り部６は、第１の液溜り部５よりも上方に配置されているので、第１の液溜り部５に貯留している作動媒体の沸騰によって、蒸発器２内の上方に持ち上げられ、凝縮器１内に到達しない作動媒体を受けることが好ましい。これにより、第１の液溜り部５から沸騰して上方に持ち上げられる作動媒体をより多く、第２の液溜り部６で受けることができる。

第２の液溜り部６は、伝熱部２ａの断面形状において水平方向で最も幅がある位置よりも上方に配置されることが好ましく、配置される位置が鉛直方向の最上方に近づくほど好ましい。また、鉛直方向の最上方を含む位置に配置されていることが最も好ましい。実施の形態１では、伝熱部２ａの断面形状が円形であるので、該円形の中心を通る水平方向の直線と伝熱部２ａとの交わる位置より上方に第２の液溜り部６は配置されている。また、伝熱部２ａの断面形状が円形であり、液管４が２本配置されている場合には、第２の液溜り部６は、ガス管３の蒸発器２と接続されている内側側面部３ａから伝熱部２ａへの接面Ｘよりも内側に配置されていることが好ましい。これにより、第２の液溜り部６の側面６ａが、第１の液溜り部５から蒸発した作動媒体の流路をふさぐことがなく、蒸発した作動媒体の流路の抵抗となる蒸発抵抗を抑えることができる。

第２の液溜り部６は、たとえば伝熱部２ａに直接接触する突起板を設けることで形成することができる。突起板は第２の液溜り部６の側面６ａとなり、作動媒体を溜めることができる構造となる。突起板は、たとえば板状部材が伝熱部２ａにろう材などを用いて溶接されることにより形成することができる。また、第２の液溜り部６は、たとえば切削具を用いて伝熱部２ａの壁面を切り起こすことにより形成することができる。

第２の液溜り部６は、第２の液溜り部６の周囲に位置する伝熱部２ａの表面に作動媒体を供給する供給体を有していることが好ましい。供給体は特に限定されないが、ステンレス繊維からなるメッシュ状のフィルタであることが好ましい。

第２の液溜り部６は１以上設けられていれば特に限定されず、複数設けられていても良い。第２の液溜り部６が複数設けられている場合には、すべての第２の液溜り部６が伝熱部２ａの断面形状において水平方向で最も幅がある位置よりも上方に配置されることが好ましい。

ガス管３は、蒸発器２と凝縮器１とを接続し、蒸発器２で蒸発した作動媒体を凝縮器１へ送る。

液管４は、蒸発器２と凝縮器１とを接続し、凝縮器１で液化した作動媒体を蒸発器２へ送る。

実施の形態１では、熱源８の中心から鉛直方向上方へ結ぶ線を基準として、凝縮器１においてガス管３が接続される部分は、凝縮器１において液管４が接続される部分よりも内側にそれぞれ２本ずつ配置されている。

また、ガス管３は、液管４より太いパイプを使用している。ガス管３および液管４の管径は設計熱負荷と作動媒体の熱物性とに基づいて、任意に決めることができる。

凝縮器１と蒸発器２とは、ガス管３および液管４によって接続されている。これにより、ループ型サーモサイフォンの閉回路（循環回路）が構成されている。

また、実施の形態１のループ型サーモサイフォンは、熱源８の放熱面８ａと伝熱部２ａとの間にグリス７をさらに備えている。グリス７は、伝熱部２ａと放熱面８ａとの接触抵抗をさらに小さくする目的で設けられている。実施の形態１では、蒸発器２の孔の面を筒状の放熱面８ａと密着させ、熱源８と蒸発器２との間にはグリス７が介在している。なお、グリス７は備えていなくても良い。グリス７を備える場合には、グリス７は特に限定されず公知のグリスを用いることができるが、高伝導グリスが好適に用いられる。

また、実施の形態１のループ型サーモサイフォンは、凝縮器１と蒸発器２との間に気液分離タンク（図示せず）をさらに備えていても良い。気液分離タンクを備えることにより、ループ型サーモサイフォンを安定して動作することができる場合がある。

次に、実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンの作動について説明する。第１の液溜り部５に貯留されている作動媒体は、放熱面８ａから熱を受けて蒸発する。蒸発した作動媒体の一部または全部は、凝縮器１と蒸発器２との温度差による蒸気圧の差を利用して、ガス管３を通って凝縮器１に流入する。凝縮器１内では、気体状の作動媒体は外部の空気などと熱交換を行なって凝縮する。凝縮器１で凝縮した液体状の作動媒体は、重力によって液管４を通って再び蒸発器２に戻る。このように、作動媒体が循環し、蒸発器２で吸熱して凝縮器１で放熱する過程を繰り返す。

なお、凝縮器１において蒸発した作動媒体の全部が凝縮器１に流入する場合の他、蒸発した作動媒体の一部または全部は凝縮器１に流入する流路の途中で凝縮して液体となり、第１の液溜り部５に戻る場合や、伝熱部２ａに付着して再度蒸発する場合や、第２の液溜り部６の内部に貯留される場合などがある。

凝縮器１から蒸発器２に戻る過冷却度を持った液体状の作動媒体の全部または一部は、第２の液溜り部６に流入する。そして、第２の液溜り部６が接触する伝熱部２ａから作動媒体は蒸発する。この時、より低い温度の作動媒体が第２の液溜り部６内に貯留している作動媒体の液面の上から供給されるので、密度の差による重力の力で下方へ移動しようとする。そのため、第２の液溜り部６内の液が撹拌されて、作動媒体の蒸発が促進できる。

第２の液溜り部６に流入して貯留される作動媒体の一部または全部は、伝熱部２ａに沿って第１の液溜り部５に流入することができる。具体的には、第１の液溜り部５と第２の液溜り部６とは連通しており、第２の液溜り部６からあふれた作動媒体は第１の液溜り部５が受けて、第１の液溜り部５に蓄積・貯留される。あるいは、第２の液溜り部６がステンレス繊維からなるメッシュ状のフィルタである供給体を有している場合には、該フィルタから作動媒体を流出させる。これにより、第２の液溜り部６に作動媒体が過剰に供給されたときでも、第２の液溜り部６の液面は一定値以下を保つことができる。そのため、第２の液溜り部６に貯留する作動媒体の液量が上昇することによる、第２の液溜り部６での作動媒体の蒸発が妨げられない。また、凝縮器１からの作動媒体が第２の液溜り部６に供給されることで余熱されてから、過剰な作動媒体が第１の液溜り部５に供給される。そのため、第１の液溜り部５の作動媒体の温度を下げることなく、第１の液溜り部５における作動媒体の蒸発の安定につながる。

この際、第１の液溜り部５で覆われていない伝熱部２ａの表面を第２の液溜り部６で貯留させた作動媒体で覆うことが好ましい。また、第１の液溜り部５に流入する前に伝熱部２ａから受ける熱によって蒸発する場合もあるが、第１の液溜り部５で覆われていない伝熱部２ａの表面全体を第２の液溜り部６で溜めた作動媒体で覆うことがより好ましい。第２の液溜り部５に貯留させた作動媒体で伝熱部２ａの表面を覆う方法としては、たとえば第２の液溜り部５から作動媒体をオーバーフローさせる方法や、第２の液溜り部５が供給体を有しているときは供給体から作動媒体を排出することができる。第２の液溜り部６の伝熱部２ａは常に作動媒体で濡れている状態に保つことにより、伝熱部２ａや放熱面８ａの温度分布を均一化することができる。

なお、作動媒体は特に限定されず、たとえば二酸化炭素、水、ハイドロカーボン、アンモニア、エタノールおよびこれらの混合物などを用いることができる。この場合、たとえば、凝縮器１に液を貯留することが可能な容積（たとえば、凝縮器１出口のヘッダパイプ等）と、液管４の容積と、蒸発器２の容積との合計容積の１／３〜２／３を作動媒体で充満させ、さらに残った容積を作動温度における作動媒体の飽和蒸気で充満させた作動媒体の質量を封入量とすることができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンは、軸心が水平方向に延在し放熱面８ａを含む熱源８から作動媒体を用いて熱を搬送するループ型サーモサイフォンであって、熱源８の放熱面８ａに装着された伝熱部２ａを含み、伝熱部２ａを介して熱源８と熱交換して作動媒体を蒸発させる蒸発器２と、熱源８よりも鉛直方向における高い位置に配置され、蒸発器２で蒸発した作動媒体を凝縮させる凝縮器１と、蒸発器２と凝縮器１とを接続し、蒸発器２で蒸発した作動媒体を凝縮器１へ送るガス管３と、蒸発器２と凝縮器１とを接続し、凝縮器１で液化した作動媒体を蒸発器２へ送る液管４とを備え、蒸発器２は、相対的に下方で作動媒体を貯留させる第１の液溜り部５と、相対的に上方で作動媒体を貯留させる第２の液溜り部６とを含むことを特徴としている。蒸発器２の相対的に上方に第２の液溜り部６を備えているので、凝縮器１から戻る作動媒体を貯留することができる。そのため、蒸発器２の相対的に上方に位置する伝熱部２ａにおいて作動媒体の蒸発を促進できる。よって、冷却効率を向上できる。

また、断続的にもどってくる作動媒体を第２の液溜り６で受けて溜めることにより、蒸発器２内において伝熱部２ａの上方で作動媒体がほぼ常時接触している状態を保つことができる。そのため、熱源８上方の温度変化を最小限に抑えることができる。よって、安定的な動作を可能にして、性能の安定につながる。

さらに、冷却効率を向上できるので、熱源８と蒸発器２との接触面積を大きく確保する必要がないので、ループ型サーモサイフォンの小型化を図ることができる。そのため、実施の形態１におけるサーモサイフォンの実用化を図ることもできる。

上記ループ型サーモサイフォンにおいて好ましくは、第２の液溜り部６は、凝縮器１から液管４を介して戻る作動媒体を受けることを特徴としている。これにより、作動媒体を第２の液溜り部６に容易に貯留させることができる。そのため、蒸発器２の相対的に上方に位置する伝熱部２ａにおいて作動媒体の蒸発をより促進できる。よって、冷却効率をより向上できる。

上記ループ型サーモサイフォンにおいて好ましくは、第２の液溜り部６は、伝熱部２ａの断面形状において水平方向で最も幅がある位置よりも上方に配置されることを特徴としている。これにより、第１の液溜り部５から蒸発した作動媒体の流路が妨げられない。そのため、作動媒体の蒸発をより促進できる。よって、冷却効率をより向上できる。

上記ループ型サーモサイフォンにおいて好ましくは、第１の液溜り部５で覆われていない伝熱部２ａの表面を第２の液溜り部６で溜めた作動媒体で覆うことを特徴としている。これにより、伝熱部２ａと作動媒体との接触面積を増加させることができる。よって、冷却効率をより向上できる。なお、作動媒体が第２の液溜り部６からオーバーフローする時に伝熱部２ａ全体を作動媒体で覆っていることがより好ましい。

上記ループ型サーモサイフォンにおいて好ましくは、第２の液溜り部６は、第２の液溜り部６の周囲に位置する伝熱部２ａの表面に作動媒体を供給する供給体を有していることを特徴としている。これにより、第２の液溜り部６に貯留している作動媒体を効率的に伝熱部２ａの表面に供給できる。そのため、伝熱部２ａと作動媒体との接触面積を増加させることができる。よって、冷却効率をより向上できる。

上記ループ型サーモサイフォンにおいて好ましくは、供給体は、ステンレス繊維からなるメッシュ状のフィルタであることを特徴としている。これにより、第２の液溜り部６に貯留している作動冷媒をより効率的に伝熱部２ａの表面に供給できる。よって、冷却効率をより一層向上できる。

上記ループ型サーモサイフォンにおいて好ましくは、低温部と高温部とを備えたスターリングエンジンを搭載した冷却庫の高温部に取り付けられることを特徴としている。蒸発器２内において伝熱部２ａの上方で作動媒体がほぼ常時接触している状態を保つことができるので、冷却効率が安定する。そのため、スターリングエンジンの高温側のヘッドに温度差が生じてしまうなどの原因を防止でき、スターリングエンジンの故障を防止できる。よって、安定的な動作を可能にする。

（実施の形態２）
図２を参照して、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷却庫について説明する。実施の形態２におけるスターリング冷却庫は、実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンを備えている。実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンは、低温部１３と高温部１１とを備えたスターリングエンジン１４を搭載したスターリング冷却庫の高温部１１に取り付けられている。なお、図２は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷却庫の配管系統図である。

スターリング冷却庫１０は、図２に示すように、高温部１１と低温部１３とを有するスターリングエンジン１４と、高温部１１に取付けられた高温側の蒸発器２、高温側の凝縮器１、ガス管３および液管４を含む第１高温側循環回路（第１循環回路）と、高温側の蒸発器２、循環ポンプ１６、発露防止パイプ１９およびパイプ１２Ａ〜１２Ｃを含む第２高温側循環回路（第２循環回路）と、低温部１３に取付けられた低温側凝縮器２０、低温側蒸発器２２およびパイプ１３Ａ，１３Ｂ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、スターリングエンジン１４の高温部１１の冷却を行ない、第２高温側循環回路は、発露防止パイプ１９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エンジン１４の低温部１３との熱交換を行なう。

スターリング冷却庫１０における高温側の凝縮器１、蒸発器２、ガス管３および液管４は、実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンを構成する凝縮器１、蒸発器２、ガス管３および液管４である。実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンは、低温部１３と高温部１１とを備えたスターリングエンジン１４を搭載したスターリング冷却庫１０の高温部１１に取り付けられている。実施の形態１で説明したように、第１高温側循環回路では、高温側の蒸発器２において蒸発した作動媒体はガス管３（高温側導管）を介して高温側の凝縮器１に達する（図２中の破線矢印）。高温側の凝縮器１において空気との熱交換が行なわれることで作動媒体が凝縮する。この熱交換を促進するために、高温側の凝縮器１近傍に気流を生じさせるファン１８が設けられている。凝縮した冷媒は、液管４（高温側戻り管）を介して高温側の蒸発器２に戻る。

一方、高温側の蒸発器２の下部には、パイプ１２Ａが接続されている。高温側の蒸発器２からパイプ１２Ａに液体状の水（Ｈ₂Ｏ）などの冷媒が流入する。パイプ１２Ａに流入した冷媒は、スターリングエンジン１４よりも下方に設けられた循環ポンプ１６に達する。循環ポンプ１６から吐出された冷媒は、パイプ１２Ｂを介して発露防止パイプ１９に送られる。ここで、発露防止パイプ１９内を流れる冷媒は、スターリングエンジン１４の高温部１１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１９を冷却庫の前面開口部に配置することで、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１９内を流れた冷媒は、パイプ１２Ｃを介して高温側の蒸発器２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１６による強制循環が行なわれている。

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２０において凝縮した冷媒はパイプ１３Ａ（低温側導管）を介して低温側蒸発器２２に達する。低温側蒸発器２２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２２近傍に気流を生じさせるファン２２Ｃ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１３Ｂ（低温側戻り管）を介して低温側凝縮器２０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、低温部１３で発生した冷熱を低温側蒸発器２２に伝達することができるように、低温側蒸発器２２が低温側凝縮器２０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されている。

スターリングエンジン１４を作動させると、スターリングエンジン１４の高温部１１で発生した熱が、高温側の凝縮器１を介して空気と熱交換される。一方、スターリングエンジン１４の低温部１３で発生した冷熱は、低温側蒸発器２２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２２近傍に送られ、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、低温側蒸発器２２に着霜が生じる。この着霜に対する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、ドレンパイプ２２Ａを介して、冷却庫本体底面の下部に設置されたドレンパン２２Ｂ（蒸発皿）に導かれる。ドレンパン２２Ｂの上部には、ファン２２Ｃが設けられており、ファン２２Ｃによってドレンパン２２Ｂ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ことにより、除霜水の蒸発が促進される。

以上説明したように、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷却庫１０によれば、実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンを備えている。実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンは冷却効率を向上できるので、スターリングエンジンの高温部１１を効率的に冷却できる。よって、スターリング冷却庫１０の性能を向上できる。

また、実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンは、低温部１３と高温部１１とを備えたスターリングエンジン１４を搭載した実施の形態２におけるスターリング冷却庫１０の高温部１１に取り付けられている。実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンは冷却効率を向上できるので、スターリングエンジン１４の高温部１１を効率的に冷却できる。そのため、スターリング冷却庫１０は性能を向上できる。

今回開示された実施の形態はすべ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。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて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すべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１におけるループ型サーモサイフォンを示す断面図である。 本発明の実施の形態２におけるスターリング冷却庫の配管系統図である。

符号の説明

１ 凝縮器、２ 蒸発器、２ａ 伝熱部、３ ガス管、３ａ 内側側面部、４ 液管、５ 第１の液溜り部、６ 第２の液溜り部、６ａ 側面、７ グリス、８ 熱源、８ａ 放熱面、１０ スターリング冷却庫、１１ 高温部、１２Ａ〜１２Ｃ，１３Ａ，１３Ｂ パイプ、１３ 低温部、１４ スターリングエンジン、１６ 循環ポンプ、１８，２２Ｃ ファン、１９ 発露防止パイプ、２０ 低温側凝縮器、２２ 低温側蒸発器、２２Ａ ドレンパイプ、２２Ｂ ドレンパン、Ｘ 接面。

Claims (8)

1. 軸心が水平方向に延在し放熱面を含む熱源から作動媒体を用いて熱を搬送するループ型サーモサイフォンであって、
   前記熱源の前記放熱面に装着された伝熱部を含み、前記伝熱部を介して前記熱源と熱交換して前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
   前記熱源よりも鉛直方向における高い位置に配置され、前記蒸発器で蒸発した前記作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
   前記蒸発器と前記凝縮器とを接続し、前記蒸発器で蒸発した前記作動媒体を前記凝縮器へ送るガス管と、
   前記蒸発器と前記凝縮器とを接続し、前記凝縮器で液化した前記作動媒体を前記蒸発器へ送る液管とを備え、
   前記蒸発器は、相対的に下方で前記作動媒体を貯留させる第１の液溜り部と、前記相対的に上方で前記作動媒体を貯留させる第２の液溜り部とを含むことを特徴とする、ループ型サーモサイフォン。
2. 前記第２の液溜り部は、前記凝縮器から前記液管を介して戻る前記作動媒体を受けることを特徴とする、請求項１に記載のループ型サーモサイフォン。
3. 前記第２の液溜り部は、前記伝熱部の断面形状において水平方向で最も幅がある位置よりも上方に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載のループ型サーモサイフォン。
4. 前記第１の液溜り部で覆われていない前記伝熱部の表面を前記第２の液溜り部で溜めた前記作動媒体で覆うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のループ型サーモサイフォン。
5. 前記第２の液溜り部は、前記第２の液溜り部の周囲に位置する前記伝熱部の表面に前記作動媒体を供給する供給体を有していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のループ型サーモサイフォン。
6. 前記供給体は、ステンレス繊維からなるメッシュ状のフィルタであることを特徴とする、請求項５に記載のループ型サーモサイフォン。
7. 低温部と高温部とを備えたスターリングエンジンを搭載した冷却庫の前記高温部に取り付けられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のループ型サーモサイフォン。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のループ型サーモサイフォンを備えた、スターリング冷却庫。

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