JP2008309448A - ループ型サーモサイフォン及びこれを搭載した冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器内の蒸発面が鉛直かそれに近い状態でありながら、熱輸送効率を落とすことのないループ型サーモサイフォンを提供する。
【解決手段】スターリング冷凍機１１０の高温ヘッド１１１にループ型サーモサイフォンである高温側循環回路１２０が熱接続される。高温ヘッド１１１に嵌合する高温側蒸発器１２１の中心の伝熱部１５０の、高温側蒸発器１２１の内部に面した鉛直な円筒面が蒸発面１５１となる。蒸発面１５１には鉤の先端が下方に向いた鉤形凸部１５６が多数形成される。蒸発面１５１の外側には液状の二次冷媒１５３が満たされるドーナツ状の空間１５２が広がり、空間１５２の周縁上部に、蒸発面１５１より上のレベルにはみ出した膨出空間１５４が形成される。膨出空間１５４に、蒸発した二次冷媒１５３を送り出す気相配管１２３Ｇと、凝縮した二次冷媒１５３を戻す液相配管１２３Ｌが接続される。
【選択図】図９

Description

本発明はループ型サーモサイフォン及びこれを搭載した冷却庫に関する。「冷却庫」とは、本明細書においては、被冷却物である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」「保冷庫」「ショーケース」「自動販売機」といった商品としての名称を問わない。

冷却庫の冷凍サイクルには長らくフロン系の冷媒が使用されてきたが、フロンにはオゾン層の破壊や地球温暖化の加速といった問題があり、最近ではイソブタン等の炭化水素が冷媒として利用されることも多い。しかしながら炭化水素系の冷媒は可燃性が高く、冷凍能力を得るために多量の冷媒を充填する必要がある場合や、漏洩した場合の危険を無視できない使用環境では、安全を考慮して採用を断念せざるを得ないケースもある。

そこで、オゾン層を破壊せず、地球温暖化への影響が小さく、安全に取り扱える冷媒を作動流体として使用するスターリング冷凍機が脚光を浴びている。スターリング冷凍機はヘリウム等の不活性ガスを作動流体として使用し、外部動力によりピストンとディスプレーサを動作させて作動流体の圧縮・膨張を繰り返し、高温ヘッドの温度を高めるとともに低温ヘッドの温度を下げる。そして高温ヘッドで周囲環境に放熱を行い、低温ヘッドで庫内から吸熱を行うものである。

一方で、スターリング冷凍機の機械効率を高めるためには、ピストンやディスプレーサによって圧縮・膨張される空間をできる限り小さくしなければならない。その結果、放熱部である高温ヘッドも伝熱面積が小さくなってしまう。このような伝熱面積の小さい高温ヘッドから効率よく熱を取り出して周囲環境に放熱するために良く用いられるのがループ型サーモサイフォンである。ループ型サーモサイフォンを用いてスターリング冷凍機から冷熱や温熱の輸送を行う冷却システムの例を特許文献１に見ることができる。

また、液体に熱を伝える伝熱管の技術分野では、表面に溝や突起を形成して熱伝達率の増大が図られる。そのような伝熱管の例を特許文献２、３に見ることができる。
特開昭５９−１６５９５１号公報 特公昭６３−１６０３７号公報 特開昭６２−１３８６９２号公報

特許文献１記載のループ型サーモサイフォンでは、作動流体として封入された液状冷媒が蒸発器内面の蒸発面で加熱される過程で、飽和温度より高く過熱度を持った状態の蒸気の核が次々に発生し、その核を中心として冷媒は気化する。気化時、冷媒は蒸発潜熱で蒸発面を飽和温度まで冷却する。

気化後、ある程度の大きさに成長した気泡は別の気泡と合体するなどしてさらに大きな気泡となり、蒸発面から離脱する。この時、離脱する段階に至っていない核までも蒸発面から離脱することがある。失われた核を再生成するためには過熱度が必要である。蒸発面の温度は過熱度の要否により不安定に上下するため、スターリング冷凍機の高温ヘッドの温度が時間平均的には上昇する。その結果、スターリング冷凍機のＣＯＰ（成績係数）が低下し、消費電力も悪化する。

特に、蒸発面が鉛直かそれに近くなっていると、蒸発面の下部から離脱した気泡が冷媒液中を浮上する過程で蒸発面上の他の気泡（核）に接触し、合体しやすく、上述のような性能の悪化を招きやすい。

また、気化した冷媒を蒸発器から送り出す送り管は、液状冷媒の液面より上に開口している必要がある。送り管の開口位置が低いと液状冷媒の液面を下げざるを得ない。高温ヘッドの上端以下に液面が下がると、高温ヘッドから受け取れる温熱量が減少する。これでは、伝熱面積の小さい高温ヘッドから効率よく熱を取り出すためにループ状サーモサイフォンを組み合わせた趣旨が生かされないことになる。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、蒸発器の構造、特に内部の蒸発面の形状に工夫を加えることにより、熱輸送効率を落とすことなく稼働できるループ型サーモサイフォンを提供することを目的とする。また、スターリング冷凍機に組み合わせたとき、スターリング冷凍機のＣＯＰを低下させることのないループ型サーモサイフォンを提供することを目的とする。そして、このようなループ型サーモサイフォンをスターリング冷凍機の高温ヘッド放熱用に搭載した、冷却効率の高い冷却庫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、閉回路内に封入された作動流体を用いて熱源から熱を伝達するループ型サーモサイフォンであって、前記作動流体を蒸発させる蒸発器と、蒸発した作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記蒸発器から前記凝縮器へ、蒸発した作動流体を送る送り管と、前記凝縮器から前記蒸発器へ、凝縮した作動流体を戻す戻り管を含み、前記蒸発器は前記作動流体に熱を伝える蒸発面を有し、当該蒸発面の表面には鉤形凸部が多数形成されるとともに、当該蒸発面の少なくとも一部は凸曲面からなることを特徴としている。

この構成によると、作動流体は鉤形凸部で囲まれた空間内で核を生じ気化する。核が成長した気泡はある程度の大きさになると鉤形凸部から離脱して浮上するが、一部は鉤形凸部に捕捉されて残留する。この残留部分が次の気泡の核となる。過熱度を要することなく気泡の核が生成されるので、作動流体を安定して連続的に気化させることができる。

また鉤形凸部から離脱した気泡が浮上する際、途中に存在する離脱前の気泡あるいは核は鉤形凸部の内部にあるので浮上する気泡に接触せず、これに合体しない。そのため、折角生成した核が浮上する気泡に取り込まれて消滅してしまうことがなく、作動流体の気化を安定して継続することができ、蒸発器の放熱効率が向上する。

そして、蒸発面が凸曲面であることにより、蒸発面から気泡が離脱するとき、その気泡は蒸発面に付着している他の気泡から離れて行くことになり、他の気泡に接触して合体し、他の気泡を消滅させることを一層少なくできる。さらに、気泡は凸曲面を覆いにくいので、蒸発面の少なくとも一部は液体の作動流体に接することになり、鉤形凸部で囲まれた空間に、気泡離脱後速やかに作動流体を供給することができる。

（２）また本発明は、閉回路内に封入された作動流体を用いて熱源から熱を伝達するループ型サーモサイフォンであって、前記作動流体を蒸発させる蒸発器と、蒸発した作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記蒸発器から前記凝縮器へ、蒸発した作動流体を送る送り管と、前記凝縮器から前記蒸発器へ、凝縮した作動流体を戻す戻り管を含み、前記蒸発器は前記作動流体に熱を伝える蒸発面を有し、当該蒸発面は略鉛直であり、その表面には鉤の先端が下方に向いた鉤形凸部が多数形成されていることを特徴としている。

この構成によると、作動流体は鉤形凸部で囲まれた空間内で核を生じ気化する。核が成長した気泡はある程度の大きさになると鉤形凸部から離脱して浮上するが、一部は鉤形凸部に捕捉されて残留する。この残留部分が次の気泡の核となる。過熱度を要することなく気泡の核が生成されるので、作動流体を安定して連続的に気化させることができる。

また鉤形凸部から離脱した気泡は蒸発面に沿って浮上するが、途中に存在する離脱前の気泡あるいは核は鉤形凸部の内部にあるので浮上する気泡に接触せず、これに合体しない。そのため、折角生成した核が浮上する気泡に取り込まれて消滅してしまうことがなく、作動流体の気化を安定して継続することができ、蒸発器の放熱効率が向上する。

そして、鉤形凸部の鉤の先端が下向きであるため、気泡の一部を捕捉し残留させるという機能を十分に果たすことができる。

（３）また本発明は、上記構成のループ型サーモサイフォンにおいて、前記蒸発器には、前記蒸発面より上のレベルにはみ出した膨出空間が形成され、この膨出空間に前記送り管と戻り管が接続されていることを特徴としている。

この構成によると、液面が蒸発面の上端に達するまで作動流体を蒸発器に満たすことができる。これにより、蒸発面の高さと作動流体の液面の高さを一致させ、熱伝達の効率向上を図ることができる。また、この蒸発器をスターリング冷凍機の高温ヘッドに組み合わせたときは、蒸発面の高さ、作動流体の液面の高さ、及び高温ヘッドの高さの三者を一致させて、スターリング冷凍機のＣＯＰ向上を図ることができる。

（４）また本発明は、上記構成のループ型サーモサイフォンにおいて、前記蒸発器には、前記送り管が接続される壁と前記蒸発面の間に、気化した前記作動流体を前記送り管が接続された壁の方に向かわせる傾斜面が形成されていることを特徴としている。

この構成によると、気化した作動流体をスムーズに送り管に送り込み、ループ型サーモサイフォンの熱輸送効率を高めることができる。

（５）また本発明は、冷熱源としてスターリング冷凍機を搭載した冷却庫において、前記スターリング冷凍機の高温ヘッド放熱用に上記ループ型サーモサイフォンを搭載したことを特徴としている。

この構成によると、スターリング冷凍機の高温ヘッドの放熱を効率良く行い、省エネルギー性の高い冷却庫を得ることができる。

本発明によると、蒸発器内の蒸発面に鉤形凸部を多数形成したことにより、気泡の生成をスムーズに行い、作動流体の循環効率を高めることができる。また、気化した作動流体を送り出す送り管を、蒸発面より上のレベルにはみ出した膨出空間に接続したことにより、液面が蒸発面の上端に達するまで作動流体を蒸発器に満たし、蒸発器をスターリング冷凍機の高温ヘッドに組み合わせたときは、蒸発面の高さ、作動流体の液面の高さ、及び高温ヘッドの高さの三者を一致させて、スターリング冷凍機のＣＯＰ向上を図ることができる。

以下本発明の実施形態を図１−１０に基づき説明する。図１は冷却庫の正面図、図２は断熱扉を開放した状態の冷却庫の正面図、図３は冷却庫の垂直断面図、図４は図３のＡ−Ａ線に沿って切断した冷却庫の断熱筐体の水平断面図、図５は冷却庫に搭載されるスターリング冷却サイクルの概略構成図、図６は冷却庫のスターリング冷却サイクル搭載箇所の部分垂直断面図、図７は支持部材に支持されたスターリング冷凍機の上面図、図８は支持部材の上面図、図９はループ型サーモサイフォンの蒸発器の断面図、図１０は蒸発器の蒸発面の部分拡大斜視図である。

冷却庫１は断熱筐体１０を備える。断熱筐体１０は前面に食品出し入れ用の開口部を有し、この開口部を断熱扉で閉ざす。図２に見られるように、断熱筐体１０の内部は上下左右に区分されていて、左上が第１区分１１、右上が第２区分１２、左下が第３区分１３、右下が第４区分１４となっている。第１区分１１の前面開口部には断熱扉２１が設けられ、第２区分１２の前面開口部には断熱扉２２が設けられ、第３区分１３の前面開口部には断熱扉２３が設けられ、第４区分１４の前面開口部には断熱扉２４が設けられている。断熱扉２１と断熱扉２３は向かって左側に設けられたヒンジ部を中心として回動し、断熱扉２２と断熱扉２４は向かって右側に設けられたヒンジ部を中心として回動する。断熱扉２１、２２、２３、２４には把手２５、２６、２７、２８が取り付けられている。

なお、第１区分から第４区分の何れか若しくは幾つかを更に分割して、第５区分、第６区分等を設置してもよい（この構成は図示しない）。

第１区分１１及び第２区分１２は冷蔵室３１及び冷蔵室３２として用いられる。冷蔵室３１は複数の棚３３により複数段に仕切られ、最下段には引き出し式の冷蔵食品ケース３４が置かれている。冷蔵室３２は複数の棚３５により複数段に仕切られ、最下段には引き出し式の冷蔵食品ケース３６が置かれている。また断熱扉２１、２２の内面にはボトル類や飲料の紙パックなどを収納するラック群３７（図３参照）が取り付けられている。

第３区分１３及び第４区分１４は冷凍室３８及び冷凍室３９として用いられる。冷凍室３８には計３個の冷凍食品ケース４０ａ、４０ｂ、４０ｃが、冷凍室３９には計４個の冷凍食品ケース４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄが、それぞれ上下に重なる形で挿入されている。冷凍食品ケース４０ａ、４０ｂ、４０ｃは両側縁部によって冷凍室３８の内面に、冷凍食品ケース４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは両側縁部によって冷凍室３９の内面に、それぞれ支持されており、いずれも前方にスライドさせて引き出すことができる。

第３区分１３及び第４区分１４は冷凍室として冷蔵室よりも断熱構造を厚くしているため、必要に応じて分割し、製氷に特化した独立区分を設置したり、急速冷凍から解凍まで、求められる様々な温度設定に適合した独立区分を設置したりすることが可能である。

冷却庫１の庫内は図５のスターリング冷却システム１００によって冷却される。スターリング冷却システム１００の中心的存在がスターリング冷凍機１１０である。スターリング冷凍機１１０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、温熱は廃熱として主として高温ヘッド１１１から取り出され、冷熱は低温ヘッド１１２から取り出される。

スターリング冷凍機１１０の内部にはディスプレーサ、ピストン、ピストンを駆動するリニアモータなどの構成要素が配置され、外部形状は軸線を備えた回転体形状となっている。スターリング冷凍機１１０は、高温ヘッド１１１が上、低温ヘッド１１２が下となるように、軸線を垂直に立てた状態で配置される。前記リニアモータを内蔵する動力部１１３は高温ヘッド１１１のさらに上に位置する。

高温ヘッド１１１から温熱を取り出して放熱するのは高温側循環回路１２０である。高温側循環回路１２０には作動流体として二次冷媒が封入されている。二次冷媒としては水（水溶液を含む）あるいは炭化水素系の自然冷媒が用いられる。なお「二次冷媒」とは、スターリング冷凍機１１０の内部の作動流体を「一次冷媒」、スターリング冷凍機１１０の外部で熱輸送に用いられる作動流体を「二次冷媒」と定義することによる。

高温側循環回路１２０は二次冷媒を自然循環させるループ型サーモサイフォンとして構成されており、高温ヘッド１１１に対し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で装着された高温側蒸発器１２１と、スターリング冷凍機１１０の上に配置された高温側凝縮器１２２と、高温側蒸発器１２１と高温側凝縮器１２２とを接続する二次冷媒配管１２３を含む。高温側蒸発器１２１の構造は後で詳しく説明する。高温側凝縮器１２２は放熱用の熱交換器として機能する。

高温側蒸発器１２１は銅や銅合金、アルミニウム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、高温ヘッド１１１の外周面に嵌合し、高温ヘッド１１１に熱接続される。高温側蒸発器１２１の側面からは二次冷媒配管１２３が導出される。二次冷媒配管１２３は、高温側蒸発器１２１の側面から導出された後、上に向かって延びる。そしてスターリング冷凍機１１０の上方で高温側凝縮器１２２に接続される。二次冷媒配管１２３は、蒸発して気体となった二次冷媒を高温側凝縮器１２２に送る気相配管１２３Ｇと、高温側凝縮器１２２で凝縮して液体となった二次冷媒を高温側蒸発器１２１に戻す液相配管１２３Ｌとに分かれている。

高温側凝縮器１２２は、銅や銅合金といった熱伝導の良い金属材料からなるパイプ１２２ａを折り曲げ、これに、同じく熱伝導の良い金属材料からなる多数の放熱フィン１２２ｂを取り付けた構造である。高温側凝縮器１２２には強制空冷用の送風機１２４が組み合わせられる。

低温ヘッド１１２には低温側循環回路１３０が熱接続される。低温側循環回路１３０には作動流体として二次冷媒が封入されている。二次冷媒としては二酸化炭素（ＣＯ２）などの自然冷媒が用いられる。

低温側循環回路１３０は二次冷媒を自然循環させるループ型サーモサイフォンとして構成されており、低温ヘッド１１２に対し熱接続された状態で装着された低温側凝縮器１３１と、冷却庫１の断熱筐体１０内に設置された低温側蒸発器１３２と、低温側凝縮器１３１と低温側蒸発器１３２とを接続する二次冷媒配管１３３を含む。低温側蒸発器１３２は冷却用の熱交換器として機能する。

低温側凝縮器１３１は銅や銅合金、アルミニウム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、低温ヘッド１１２の外周面に嵌合し、低温ヘッド１１２に熱接続される。低温側凝縮器１３１の側面からは二次冷媒配管１３３が導出される。二次冷媒配管１３３は、低温側凝縮器１３１の側面から導出された後、下に向かって延びる。そして断熱筐体１０の内部に入り、低温側蒸発器１３２に接続される。二次冷媒配管１３３は、低温側凝縮器１３１で凝縮して液体となった二次冷媒を低温側蒸発器１３２に流下させる液相配管１３３Ｌと、低温側蒸発器１３２で蒸発して気体となった二次冷媒を低温側凝縮器１３１に戻す気相配管１３３Ｇとに分かれている。

低温側蒸発器１３２も高温側凝縮器１２２と同様、銅や銅合金といった熱伝導の良い金属材料からなるパイプ１３２ａを折り曲げたうえで熱伝導の良い金属材料からなる多数の吸熱フィン１３２ｂを取り付けた構造である。

スターリング冷却システム１００は、次のようにして冷却庫１に搭載される。

断熱筐体１０の上面と背面の角に凹部を形成する。この凹部が機械室１５となる（図３、４、６参照）。機械室１５は断熱筐体１０を正面から見た場合左に偏った位置、すなわち第１区分１１の奥の左寄りの位置に設けられている。機械室１５は、スターリング冷凍機１１０、高温側蒸発器１２１、高温側凝縮器１２２、二次冷媒配管１２３、送風機１２４、低温側凝縮器１３１と、二次冷媒配管１３３の一部を収容する。収容すべき要素を全て収容した後、機械室１５の上面開口と背面開口は適宜の通風グリルで閉ざされる。

スターリング冷凍機１１０を機械室１５の内部に支持するにあたっては支持部材１４０を用いる。支持部材１４０は断熱筐体１０とは別の部品として形成される額縁状の枠であって、機械室１５の中ほどの高さに適宜の固定手段により水平に固定される。支持部材１４０の内部には、スターリング冷凍機１１０及び高温側循環回路１２０の二次冷媒配管１２３を通す開口部１４１が形成されている（図８参照）。開口部１４１の中には、後述する振動吸収体を下から支える張出部１４２が４箇所に形成されている。

スターリング冷凍機１１０の動力部１１３の外面には、板金をプレス加工してなるフランジ状の取付脚１１４を溶接等適宜手段で固定する。取付脚１１４には、先端が支持部材１４０の張出部１４２に重なる脚部１１４ａが４箇所に放射状に形成されている（図７参照）。なお、取付脚１１４はプレス成形品に限定されるものではない。ダイカスト成形品であってもよく、ＭＣナイロン等高強度の合成樹脂材料を射出成形したものであってもよい。

スターリング冷凍機１１０は、低温ヘッド１１２が一番下に来て、その上に高温ヘッド１１１が来るよう、軸線を垂直にした姿勢で支持部材１４０の開口部１４１に上方から挿入される。スターリング冷凍機１１０の重量は、張出部１４２が取付脚１１４の脚部１１４ａを支持することにより支えられるが、その際、張出部１４２と脚部１１４ａの間には振動吸収手段を介在させる。実施形態では、ゴムのような弾性物質からなる円柱状の振動吸収体１４３が振動吸収手段を構成する。

振動吸収体１４３には、４個の張出部１４２の中心にスターリング冷凍機１１０を、動力部１１３の側面が張出部１４２に接触することのないように支持する役割が求められる。そのため振動吸収体１４３は、適宜の連結手段により、位置ずれや張出部１４２と脚部１１４ａの間からの脱落が生じないように保持される。連結手段としてはボルト、ナット、ワッシャなど周知の機械要素を用いることができる。

高温側循環回路１２０は、スターリング冷凍機１１０を支持部材１４０に取り付ける前の段階で高温ヘッド１１１に接続しておく。その状態でスターリング冷凍機１１０の低温ヘッド１１２及び高温ヘッド１１１の部分と、高温側蒸発器１２１と、二次冷媒配管１２３の一部を支持部材１４０の開口部１４１に挿入し、取付脚１１４の脚部１１４ａを振動吸収体１４３の上面に着座させる。

高温側凝縮器１２２は二次冷媒配管１２３により支えられた状態でスターリング冷凍機１１０の上方に位置している。なお、図５では気相配管１２３Ｇと液相配管１２３Ｌは１本ずつしか示されていないが、現実の構成では、図７に見られるように、気相配管１２３Ｇと液相配管１２３Ｌは２本ずつ存在する。

高温側凝縮器１２２の下面には送風機１２４がダクト１２５を介して連結される。送風機１２４の送風方向は、高温側凝縮器１２２に風を吹き付ける方向であってもよく、高温側凝縮器１２２を通じて風を取り入れる方向であってもよい。

低温側循環回路１３０は、スターリング冷凍機１１０を支持部材１４０に取り付けた段階で、あるいはそれより前の、低温ヘッド１１２が開口部１４１を通り抜けて支持部材１４０の下に頭を出した段階で、低温ヘッド１１２に接続される。

支持部材１４０に対するスターリング冷凍機１１０の組み付けと、スターリング冷凍機１１０に対する高温側循環回路１２０と低温側循環回路１３０の接続が完了した状態では、すなわち図６の状態では、高温側蒸発器１２１と高温側凝縮器１２２の間にスターリング冷凍機１１０の動力部１１３が配置されている。この構成により、高温側蒸発器１２１と高温側凝縮器１２２の間の高低差を、二次冷媒を自然循環させるに十分な程度に大きく確保することができる。これにより、放熱効率が向上するとともに、高温側蒸発器１２１と高温側凝縮器１２２の間の空間を、スターリング冷凍機１１０の動力部１１３の配置に利用するので、空間を有効に活用できる。

また図６の状態では、高温側凝縮器１２２を強制空冷する送風機１２４も高温側蒸発器１２１と高温側凝縮器１２２の間に配置されている。この構成も高温側蒸発器１２１と高温側凝縮器１２２の間の高低差を大きくするのに役立つ。

高温側循環回路１２０の二次冷媒配管１２３は、高温側蒸発器１２１から導出された後、スターリング冷凍機１１０の上方にある高温側凝縮器１２２に向かって上に延びる。低温側循環回路１３０の二次冷媒配管１３３は、低温側凝縮器１３１から導出された後、スターリング冷凍機１１０の下方にある低温側蒸発器１３２に向かって下に延びる。上にある高温側蒸発器１２１からの二次冷媒配管１２３が上に向かい、下にある低温側凝縮器１３１からの二次冷媒配管１３３が下に向かうという、きわめて単純な構図なので、低温ヘッド１１２及び低温側循環回路１３０を含む冷却サイクルと、高温ヘッド１１１及び高温側循環回路１２０を含む放熱サイクルとを無理・無駄なく分離できる。配管作業も容易である。

なお低温側蒸発器１３２は、正面から見てスターリング冷凍機１１０のある側に片寄らせておくと、二次冷媒配管１３３の引回しが更に容易になり、二次冷媒の循環効率が向上する。また、二次冷媒配管１３３と低温側蒸発器１３２の接続部もスターリング冷凍機１１０のある側に設けておけば、二次冷媒配管１３３の引回しが一層容易になり、二次冷媒の循環効率が更に向上する。

低温ヘッド１１２付近の構造、特に配管構造が複雑化していないので、それを取り囲むように断熱構造を形成することも容易である。図６には低温ヘッド１１２と二次冷媒配管１３３を囲む断熱体１４４を仮想線で示す。断熱体１４４は、所定の空間を囲っておいてその中でウレタン発泡を行わせる、あるいは複数の発泡ウレタンブロックを組み合わせるといった手法で形成できる。

高温側凝縮器１２２と送風機１２４、それにダクト１２５は、二次冷媒配管１２３により、スターリング冷凍機１１０自体を支えとして機械室１５の内部空間に保持されている。このため、高温側凝縮器１２２と送風機１２４がスターリング冷凍機１１０と共に支持されることになり、振動吸収体１４３の振動吸収作用を高温側凝縮器１２２と送風機１２４にも及ぼすことができ、これらの構成要素の振動レベルを一挙に低下させることができる。

また支持部材１４０にスターリング冷凍機１１０を取り付けるにあたっては、高温側循環回路１２０を接続した形のスターリング冷凍機１１０を上から支持部材１４０の開口部１４１に通し、その上で低温ヘッド１１２に低温側循環回路１３０を接続すればよく、組立が容易である。

低温側蒸発器１３２は断熱筐体１０の内部でスターリング冷凍機１１０よりも下の位置に置かれる。すなわち、断熱筐体１０の内部には、背面側の内壁に沿って鉛直方向に延びる冷却ダクト５０、５１が設けられる。冷却ダクト５０は奥側に位置し、冷却ダクト５１はその手前側に位置する。冷却ダクト５０の下端には庫内空気を吸い込む吸気口５２が設けられる。低温側蒸発器１３２は冷却ダクト５０の中で吸気口５２の上方の位置に設置される。低温側蒸発器１３２の上方には冷却ダクト５１に空気を吹き出す送風機５３が設けられる。

スターリング冷凍機１１０の運転が始まると、高温ヘッド１１１には温熱が発生する。温熱により高温側蒸発器１２１の内部の二次冷媒は蒸発して気体となり、温熱を潜熱として保持する。気体化した二次冷媒は気相配管１２３Ｇを上昇して高温側凝縮器１２２に入り、そこで凝縮して潜熱を顕熱化する。顕熱となった温熱は高温側凝縮器１２２の表面から庫外に放熱される。送風機１２４から吹き付ける風が放熱を助ける。凝縮し、液体になった二次冷媒は液相配管１２３Ｌを下降して高温側蒸発器１２１に戻る。

低温ヘッド１１２には冷熱が発生する。冷熱により低温側凝縮器１３１の内部の気体状の二次冷媒は凝縮して液体となり、冷熱を潜熱として保持する。液体化した二次冷媒は液相配管１３３Ｌを下降して低温側蒸発器１３２に入り、そこで冷却庫１の庫内の熱により蒸発する。二次冷媒の蒸発により、冷熱が顕熱化する。蒸発し、気体になった二次冷媒は気相配管１３３Ｇを上昇して低温側凝縮器１３１に戻る。

高温側循環回路１２０と低温側循環回路１３０は共に自然循環のループ型サーモサイフォンであり、ポンプなどの動力を用いることなく、密閉空間に封入された二次冷媒が重力によって循環するので、効率よく温熱と冷熱の輸送を行うことができる。また蒸発潜熱や凝縮潜熱を利用して熱交換を行うので、高温ヘッド１１１や低温ヘッド１１２の伝熱面積が小さくても高い熱密度で熱交換を行うことができる。

また、高温側の二次冷媒としては水や炭化水素系の自然冷媒、低温側の二次冷媒としては二酸化炭素といった自然冷媒を、利用温度帯に応じて選択するので、ヘリウムや水素などを作動流体とするスターリング冷凍機１１０と組み合わせることにより、オゾン層破壊や温暖化現象に代表される地球環境問題に関し、負荷を積み上げることの少ない冷却システムを構成することができる。

低温側蒸発器１３２で冷熱が顕熱化した状態で送風機５３を運転すると、冷却ダクト５０の下端の吸気口５２から吸い込まれた空気が低温側蒸発器１３２によって冷却され、冷気となって冷却ダクト５１に送り込まれる。冷気は冷却ダクト５１の所定箇所に形成された吹出口５４を通じて冷蔵室３１、３２、冷凍室３８、３９に吹き出し、各室を所定の温度に冷却する。

スターリング冷凍機１１０の運転を続けていると、断熱筐体１０内の空気中の水分が霜となって低温側蒸発器１３２に付着する。霜は低温側蒸発器１３２の熱交換効率を低下させるので、適宜のタイミングで霜取りヒータ（図示せず）に通電し、低温側蒸発器１３２の除霜を行う。霜が溶けた除霜水は冷却ダクト５０の底部のドレンパン６０に受けられ、そこからドレンパイプ６１を通じて庫外の蒸発皿６２に排水される。蒸発皿６２内の水は自然蒸発により、あるいは適宜のヒータ手段による強制蒸発により、蒸発せしめられる。蒸発皿６２を手前側に引き出して水を捨てることもできる。

冷却庫１は上記のように構成されているので、把手２５に手を掛けて断熱扉２１を開けば冷蔵室３１に物を出し入れでき、把手２６に手を掛けて断熱扉２２を開けば冷蔵室３２に物を出し入れでき、把手２７に手を掛けて断熱扉２３を開けば冷凍室３８に物を出し入れでき、把手２８に手を掛けて断熱扉２４を開ければ冷凍室３９に物を出し入れできる。

続いて高温側蒸発器１２１の構造を図９、１０に基づき説明する。

高温側蒸発器１２１の中心には円筒形の伝熱部１５０が存在する。伝熱部１５０はスターリング冷凍機１１０の高温ヘッド１１１に嵌合し、熱接続せしめられる。伝熱部１５０の円筒面の外面、すなわち高温側蒸発器１２１の内部に面した鉛直な円筒面が二次冷媒に熱を伝えて蒸発させる蒸発面１５１となる。蒸発面１５１は、円筒形の外面であるところから、凸曲面である。

蒸発面１５１の外側には、ドーナツ状の空間１５２が広がる。この空間に液状の二次冷媒１５３が封入される。蒸発面１５１の大半を覆う量の二次冷媒１５３が入れられる。

空間１５２の周縁上部には、蒸発面１５１より上のレベルにはみ出した膨出空間１５４が形成される。この膨出空間１５４に、蒸発した二次冷媒１５３を高温側凝縮器１２２に送り出す送り管として機能する気相配管１２３Ｇと、高温側凝縮器１２２で凝縮した二次冷媒１５３を戻す戻り管として機能する液相配管１２３Ｌが接続される。気相配管１２３Ｇと液相配管１２３Ｌはいずれも蒸発面１５１の上端より上のレベルに開口する。このため、二次冷媒１５３が蒸発面１５１の上端近くまで空間１５２を満たしていても、気相配管１２３Ｇと液相配管１２３Ｌが二次冷媒１５３で閉塞されないので、二次冷媒１５３の循環がスムーズに行われる。

膨出空間１５４もドーナツ状であるが、ドーナツの中心側すなわち内周側の壁の内面は、気相配管１２３Ｇと液相配管１２３Ｌが接続された外周側の壁の方に向かいすり鉢状に傾斜した傾斜面１５５となっている。このため、気化した二次冷媒１５３が渦を生じることなくスムーズに気相配管１２３Ｇへと導かれる。これにより圧力損失を低減でき、効率的に高温ヘッド１１１を冷却できる。

蒸発面１５１にはリング状の鉤形凸部１５６が鉛直方向に一定ピッチで並ぶ形で多数形成される。個々の鉤形凸部１５６は、鉤の先端が下方に向いた断面形状を備える。隣接する鉤形凸部１５６の間には、断面が０．１〜２．０mm角程度の連続したトンネル状の空間
１５７が形成される。鉤形凸部１５６の鉤の部分はほぼ隙間無く密集し、その所々に、空間１５７に通じる小孔１５８が開口している。

鉤形凸部１５６は次のようにして蒸発面１５１に形成される。まず、伝熱部１５０となる金属管の内面を旋盤により螺旋状に切削し、０．１〜２．０mmのピッチのフィンを形成
する。続いてフィンにローラを押し当てた状態で金属管を回転させる。するとフィンの先端が隣接するフィンの方へ押し倒され、この押し倒された部分が鉤となる。鉤の先端は隣のフィンに接触する。この時、フィンの先端の所々に切り込みを入れておくと、その切り込みが小孔１５８となる。

二次冷媒１５３は小孔１５８から空間１５７に入り、空間１５７を満たす。高温ヘッド１１１の熱で蒸発面１５１が加熱されると、空間１５７で二次冷媒１５３は高温となって気化し、気泡の核を生成する。核が成長して大きくなった気泡は小孔１５８から抜け出し、蒸発面１５１を離脱して浮上する。この時、気泡の全てが小孔１５８から抜け出す訳ではなく、一部は鉤の部分に引っかかって残る。この残った部分が次の気泡の核となる。このように、蒸発面１５１の過熱度を必要とせずに気泡の核が生成されるので、二次冷媒１５３を安定的に連続して気化させることができる。

また蒸発面１５１から離脱した気泡は蒸発面１５１に沿って浮上するが、その途中に存在する小さな気泡は空間１５７の内部にあって、鉤形凸部１５６の鉤で覆い隠されているため、浮上する気泡に接触せず、これに合体しない。そのため、折角生成した核が浮上する気泡に取り込まれて消滅してしまうことがなく、蒸発面１５１全体で、二次冷媒１５３を安定して蒸発させることができる。

そして、蒸発面１５１が凸曲面であることにより、蒸発面１５１から気泡が離脱するとき、その気泡は蒸発面１５１に付着している他の気泡から離れて行くことになり、他の気泡に接触して合体し、他の気泡を消滅させることを一層少なくできる。さらに、気泡は凸曲面を覆いにくいので、蒸発面１５１の少なくとも一部は二次冷媒１５３に接することになり、空間１５７に、気泡離脱後速やかに二次冷媒１５３を供給することができる。

本実施形態では鉛直な円筒面により凸曲面の蒸発面１５１を得ているが、凸曲面の形成手法はこれに限定されない。軸線が斜めあるいは水平になった円筒面を凸曲面としてもよい。また、円筒以外の立体形状から凸曲面を得ることとしてもよい。

さらに、鉤形凸部１５６の鉤の先端を下向きにしたことにより、気泡の一部を捕捉し残留させるという機能を十分に果たすことができる。この構成は、蒸発面１５１が略鉛直になっているとき―これが最も実用化しやすい構造であると言ってよい―に特に効果が大きい。

以上、本発明の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。

本発明は家庭用又は業務用の冷却庫、特にスターリング冷却システムを備えた冷却庫に搭載するループ型サーモサイフォンとして広く利用可能である。

冷却庫の正面図 断熱扉を開放した状態の冷却庫の正面図 冷却庫の垂直断面図 図３のＡ−Ａ線に沿って切断した冷却庫の断熱筐体の水平断面図 冷却庫に搭載されるスターリング冷却サイクルの概略構成図 冷却庫のスターリング冷却サイクル搭載箇所の部分垂直断面図 支持部材に支持されたスターリング冷凍機の上面図 支持部材の上面図 ループ型サーモサイフォンの蒸発器の断面図 蒸発器の蒸発面の部分拡大斜視図

符号の説明

１ 冷蔵庫
１０ 断熱筐体
１００ スターリング冷凍システム
１１０ スターリング冷凍機
１１１ 高温ヘッド
１１２ 低温ヘッド
１２０ 高温側循環回路（ループ型サーモサイフォン）
１２１ 高温側蒸発器
１２２ 高温側凝縮器
１２３ 二次冷媒配管
１２３Ｇ 気相配管（送り管）
１２３Ｌ 液相配管（戻り管）
１３０ 低温側循環回路（ループ型サーモサイフォン）
１３１ 低温側凝縮器
１３２ 低温側蒸発器
１３３ 二次冷媒配管
１５０ 伝熱部
１５１ 蒸発面
１５４ 膨出空間
１５５ 傾斜面
１５６ 鉤形凸部
１５７ 空間
１５８ 小孔

Claims (5)

1. 閉回路内に封入された作動流体を用いて熱源から熱を伝達するループ型サーモサイフォンであって、
   前記作動流体を蒸発させる蒸発器と、蒸発した作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記蒸発器から前記凝縮器へ、蒸発した作動流体を送る送り管と、前記凝縮器から前記蒸発器へ、凝縮した作動流体を戻す戻り管を含み、前記蒸発器は前記作動流体に熱を伝える蒸発面を有し、当該蒸発面の表面には鉤形凸部が多数形成されるとともに、当該蒸発面の少なくとも一部は凸曲面からなることを特徴とするループ型サーモサイフォン。
2. 閉回路内に封入された作動流体を用いて熱源から熱を伝達するループ型サーモサイフォンであって、
   前記作動流体を蒸発させる蒸発器と、蒸発した作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記蒸発器から前記凝縮器へ、蒸発した作動流体を送る送り管と、前記凝縮器から前記蒸発器へ、凝縮した作動流体を戻す戻り管を含み、前記蒸発器は前記作動流体に熱を伝える蒸発面を有し、当該蒸発面は略鉛直であり、その表面には鉤の先端が下方に向いた鉤形凸部が多数形成されていることを特徴とするループ型サーモサイフォン。
3. 前記蒸発器には、前記蒸発面より上のレベルにはみ出した膨出空間が形成され、この膨出空間に前記送り管と戻り管が接続されてい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. 前記蒸発器には、前記送り管が接続される壁と前記蒸発面の間に、気化した前記作動流体を前記送り管が接続された壁の方に向かわせる傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のループ型サーモサイフォン。
5. 冷熱源としてスターリング冷凍機を搭載した冷却庫において、前記スターリング冷凍機の高温ヘッド放熱用に請求項１から４のいずれか１項に記載のループ型サーモサイフォンを搭載したことを特徴とする冷却庫。