JP2017089991A - 並列分散型冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】超低温大型縦型冷凍庫の庫内をスターリング冷凍機とサーモサイフォンを用いて効率良く冷却する並列分散型冷却システムを提供する。【解決手段】真空断熱材と高密度発泡断熱材からなる断熱層を有する超低温大型縦型冷凍庫１の収納部を、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂとサーモサイフォン６により直接冷却する冷却システムであって、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂが超低温大型縦型冷凍庫１の上部に複数台配置され、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂの吸熱部に複数の配管１６Ａ〜１６Ｆが固定され、配管１６Ａ〜１６Ｆは所定の傾斜角度と間隔を保ち連続して蛇行し、収納部を形成する内壁及び外壁１２の左側面３１、右側面、背面３３に沿って下降し、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂが駆動すると複数の配管１６Ａ〜１６Ｆを介して超低温大型縦型冷凍庫１の収納部が冷却される。【選択図】図１

Description

本発明は、超低温大型縦型冷凍庫（超低温槽）において、複数のスターリング冷凍機と複数本のサーモサイフォンを備えた並列分散型冷却システムに関する。

従来、大型冷凍庫は大型コンプレッサーと代替フロンを冷媒とした冷却方式が主流であったが、超低温槽においては大電力が必要であり省電力化が望まれ、同時にフロン系ガスや代替フロンなどの特殊冷媒も規制により製造制限されて使用が困難となっていることから、新しい冷媒を使用した次世代型の冷却システムへの切り替えが望まれていた。

そこで、ヘリウムガスを冷媒としたスターリング冷凍機が次世代の省エネ型冷却装置として提案されている。その例として、冷凍庫内部にスターリング冷凍機を配置し、その吸熱部に設けられたサーモサイフォンの凝縮器を用いて冷凍冷蔵庫を冷却する空冷方式が提案されている（特許文献１参照）。

また、サーモサイフォンが複数の経路を有し、これら複数の経路が容器の外周に対して多重螺旋状に配置された飲料水冷却方式が提案されている（特許文献２参照）。

さらに、サーモサイフォンが複数の経路を有し、少なくとも一つの経路が前記容器の半周に沿って下降して配置されると共に、他の少なくとも一つの経路が前記容器の他の半周に沿って下降して配置され、これらの経路が前記容器の半周に沿って延びた端部近傍が最低部となるように配置した冷却方式が開示されている（特許文献３参照）。

しかし、いずれの方式においても、−８０℃以下の超低温槽などへの応用例が開示されていない。特に、空冷方式では空気強制循環系（庫内ファンモーター）に凍結の問題があり、超低温分野での実現が難しかった。また、冷水器や保冷庫などに応用される多重螺旋状や半周ループ状の配管経路では冷凍冷蔵庫には適しているが、前側に開閉扉を有する縦型の超低温大型縦型冷凍庫に応用するには螺旋状やループ状の配管経路では実現することも困難だった。また、単管ループ状や多重螺旋状の配管では配管経路の長さが長くなってしまうため、冷媒が配管内を循環するのに時間がかかり、短時間での冷却ができないという問題もあった。

特開２００５−１５６０１１号公報 特開２００５−３０８３５７号公報 特開２００７−９３０５５号公報

上述の特許文献１〜特許文献３に示す従来技術は、家庭用冷凍冷蔵庫や冷水器、小型携帯冷凍冷蔵庫などにおいては応用が可能な冷却方式であり十分対応が可能である。

しかし、縦型で−８０℃以下の超低温大型冷凍庫においては冷却壁面が広く縦に長いために、大型冷凍機が必要となる。この大型冷凍機としては、５００Ｗ（ワット）〜１ｋＷ（キロワット）程度の出力を有する大型特殊コンプレッサー式冷凍機や大型スターリング冷凍機が用いられるが、大型特殊コンプレッサー式冷凍機は熱負荷が大きいために起動時に大電力が必要になる。また、大型スターリング冷凍機は冷却装置が高額になり、どちらもランニングコストが高いという欠点があった。

さらに、サーモサイフォンが単管でも多重管でもその管路が長くなると、凝縮し液化した冷媒が降下するには時間がかかり、気化した冷媒が上昇するにも時間がかかるため、所定の温度まで冷却する時間が長くなるだけでなく、庫内全域に渡って超低温の温度帯まで到達させることや均一に冷却することも技術的に難しく、省エネには適していない状況であった。同様に、サーモサイフォンに傾斜角度を付けると曲折間隔が大きく開くため、冷却面の温度分布にムラができることや、庫内温度を均一とすることができず、温度差を生じてしまうことがあった。

このために、大型冷凍庫において温度分布の均一化及び超低温化を実現するには、１台の大型冷凍機と従来の配管経路での冷却方式では限界があり、超低温冷凍の品質向上や冷却効率の向上、省エネ化が課題となっていた。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたもので、超低温大型縦型冷凍庫に小型又は中型のスターリング冷凍機を複数台分散して用いて、同時に複数のサーモサイフォンによる配管経路を縦に分割して並列に配置することで、冷却熱源を分散化し冷却用配管経路を並列化して、配管経路であるサーモサイフォン１本当たりの長さを短くして冷却速度を速め、狭いピッチの配管経路にすることで庫内の温度を均一化することを可能にして、冷却性能と冷却効率を向上した省エネ型の次世代冷却方式である並列分散型冷却システムを提供することを目的とする。出力が１００Ｗ〜２００Ｗ程度の小型又は中型のスターリング冷凍機は市場に広く普及しており、価格が低廉であるため複数台使用しても本システムは安価で実現することができる。

前述の課題を解決するため、本発明に係る複数台のスターリング冷凍機と複数本の配管を備えるサーモサイフォンからなる並列分散型の冷却システムは、次のような手段を採用する。

本発明の並列分散型冷却システムは、真空断熱材と高密度発泡断熱材からなる断熱層を有する超低温大型縦型冷凍庫の庫内を、スターリング冷凍機とサーモサイフォンにより直接冷却する冷却システムであって、前記スターリング冷凍機が前記超低温大型縦型冷凍庫の上部に複数台配置され、前記スターリング冷凍機の吸熱部に複数の配管が固定され、前記配管は所定の傾斜角度と間隔を保ち連続して蛇行し、前記庫内を形成する内殻壁の背面及び左右側面に沿って下降し、前記スターリング冷凍機が駆動すると前記複数の配管を介して前記超低温大型縦型冷凍庫の庫内が冷却されることを特徴とする。

また、本発明の並列分散型冷却システムは、前記スターリング冷凍機が２台又は３台配置され、１台の前記スターリング冷凍機の吸熱部には２本以上の前記配管が固定され、前記スターリング冷凍機の吸熱部に前記配管を着脱自在に取り付ける固定台を設けたことを特徴とする。

また、本発明の並列分散型冷却システムは、前記超低温大型縦型冷凍庫の内殻壁は異種素材からなる２層の複合材により形成され、前記内殻壁の内側は防錆性が良好な素材を用い、前記内殻壁の外側は熱伝導性が良好な素材を用い、前記内殻壁の外面に前記配管を密着して固定したことを特徴とする。

また、本発明の並列分散型冷却システムは、前記複数の配管の上端又は下端又はその両方が連結され、連結された前記配管の１箇所に冷媒を注入する冷媒注入口を設け、前記配管が前記断熱層で覆われることを特徴とする。

本発明の並列分散型冷却システムによれば、超低温大型縦型冷凍庫の庫内を効率良く冷却し、庫内の温度分布を均一にすることができる。

本発明に係る並列分散型冷却システムの第１の実施例を示す斜視図である。 本発明に係る並列分散型冷却システムの第１の実施例の要部を示す断面図である。 本発明に係る並列分散型冷却システムの第１の実施例の内殻体を示す展開図である。 本発明に係る並列分散型冷却システムの第２の実施例を示す展開図である。 本発明に係る並列分散型冷却システムの第３の実施例を示す斜視図である。 本発明に係る並列分散型冷却システムの第４の実施例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施例について、添付図１〜図６を参照して説明する。以下に説明する実施例は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。なお、本発明において超低温大型縦型冷凍庫とは、冷凍庫の縦方向の長さ（高さ）が横方向の長さ（横幅）よりも長いものに限られず、縦横の長さの比率は問わない。

以下、本発明に係る冷却システムの第１実施例を図１〜図３に基づいて説明する。図１は、本実施形態の超低温大型縦型冷凍庫１の背面右上方から見た斜視図である。超低温大型縦型冷凍庫１は、内殻体２と、内殻体２の上側、下側、左側、右側及び後側を覆う外殻体３と、内殻体２の前側を覆う正面ドア４と、２台のスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂと、サーモサイフォン６とを備えて構成される。

内殻体２は、前側が開口した中空矩形状に形成されており、内部には冷却対象物（図示せず）を収納する収納部７が形成されている。内殻体２は、内殻壁としての内壁１１及び外壁１２を積層した２重壁構造を有しており、内壁１１はステンレス製で防錆性に優れ、外壁１２は銅製で熱伝導性に優れている。このように２種類の素材で２重壁構造とすることにより機械的強度と優良な熱伝導性の両方を兼ね備えることができる。本実施例では、外壁１２は内壁１１の外面を完全に覆っているが、外壁１２は収納部７内を効率良く冷却するために内壁１１の外側に配設されており、一定程度以上の面積を有していればよく、内壁１１を完全に覆っていなくてもよい。

外殻体３は、電気亜鉛メッキ鋼板で中空状に形成されている。外殻体３の内部には、内殻体２が配設され、内殻体２と外殻体３との間隙には、後述する真空断熱材２８が充填される。外殻体３の外側表面にはアクリル樹脂焼付塗装が施されている。

正面ドア４は、手前に開閉可能な開き戸である。正面ドア４は、外殻体３と同様に電気亜鉛メッキ鋼板の表面にアクリル樹脂焼付塗装を施して形成されている。

超低温大型縦型冷凍庫１の上部に位置する、外殻体３の上面である天井部１３には、２台のスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂが左右対称に設置されている。このスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂは、いわゆるＦＰＳＣ（フリー・ピストン・スターリング・クーラー）である。スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂは、同じく外殻体３の天井部１３に配置された電装ユニット８を駆動源とし、電装ユニット８から供給される電気エネルギーにより駆動する。

図２に示すとおり、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂには、約−９０℃〜−１２０℃にまで温度が低下する吸熱部１４が各々形成されており、この吸熱部１４は超低温大型縦型冷凍庫１の背面方向に突出している。吸熱部１４には、後述するサーモサイフォン６の冷却部１５を構成する配管固定台１８が取り付けられる。

サーモサイフォン６は、２つの冷却部１５と６本の配管１６Ａ〜１６Ｆから構成されている。冷却部１５は、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂの吸熱部１４の先端面１７に当接して取り付けられる板状の配管固定台１８と、配管１６Ａ〜１６Ｆを配管固定台１８と共に挟持する板状の配管固定板１９と、配管固定台１８と配管固定板１９とを固定する複数の固定ネジ２０から構成されている。

配管固定台１８の配管固定板１９と当接する面には上下方向に延びる断面半円状の凹溝（図示せず）が３箇所形成されている。一方、配管固定板１９の配管固定台１８と当接する面にも同様の凹溝（図示せず）が３箇所形成されている。したがって、配管固定台１８と配管固定板１９を当接させると両者の凹溝により３つの貫通孔（図示せず）が形成され、各貫通孔に配管１６Ａ〜１６Ｆが１本ずつ挿通されて挟持される。

配管固定台１８と配管固定板１９は、熱伝導率が高い金属である銅により形成され、表面にはニッケルメッキが施されている。そのため、配管固定台１８と配管固定板１９は吸熱部１４により効率良く冷却することができるようになっている。配管１６Ａ〜１６Ｃは、スターリング冷凍機５Ａの吸熱部１４に取り付けられる配管固定台１８と配管固定板１９に当接した状態で固定され、配管１６Ｄ〜１６Ｆは、スターリング冷凍機５Ｂの吸熱部１４に取り付けられる配管固定台１８と配管固定板１９に当接した状態で固定される。

配管１６Ａ〜１６Ｆは、垂直に延設されて配管固定台１８と配管固定板１９で挟持され、配管固定台１８と配管固定板１９に形成されたネジ孔（図示せず）に固定ネジ２０を螺合することにより冷却部１５に固定される。したがって、固定ネジ２０を着脱することによりスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂを配管１６Ａ〜１６Ｆから着脱することができる。

従来の大型コンプレッサーでは配管が直接連結されているため、冷凍機が故障すれば、溶接器や真空装置を使った修理になり、現場での対応が難しく短時間での復旧が困難である。これに対して、本実施例のスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂは信頼性が高いものの、長期間の使用などで万一の故障があった場合には、配管１６Ａ〜１６Ｆとスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂが着脱自在で分離可能であるから、その故障したスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂ自体の交換が可能になる。しかも、本実施例のように複数台のスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂを使用することにより、故障したスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂが交換されるまで他のスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂが冷却を継続することが可能で、急激な温度上昇を回避し、収納部７内に収納された前記冷却対象物である凍結試料や冷凍材料などを温度上昇により損なうことを防止することができる。したがって、組立性の向上だけでなく、冗長性、保守性も向上する。

配管１６Ａ〜１６Ｆは、焼きなまし処理を施し、細管状に形成されたなまし銅管であり、耐圧性、伝熱性、耐ガス漏れ性、耐腐食性に優れており、曲げ加工も容易に行うことができる。また、配管１６Ａ〜１６Ｆは、配管固定台１８と配管固定板１９に当接させることで、吸熱部１４により効率良く冷却されるようになっている。以下、配管１６Ａ〜１６Ｆの配管固定台１８と配管固定板１９と当接した部分を被冷却部２１という。

図２に示すとおり、吸熱部１４、冷却部１５、配管１６Ａ〜１６Ｆのうち外殻体３から突出した部分は、矩形状のケース２２Ａ，２２Ｂ内に配設されている。ケース２２Ａ，２２Ｂ内には高密度発泡ウレタン等の発泡断熱材２３が吸熱部１４、冷却部１５、配管１６Ａ〜１６Ｆのうち外殻体３から突出した部分を覆うように収納されており、外殻体３の外部の熱による吸熱部１４、冷却部１５、配管１６Ａ〜１６Ｆの温度上昇を抑制している。したがって、ケース２２Ａ，２２Ｂ内には発泡断熱材２３によって断熱層２９Ａが形成されている。

ケース２２Ａ，２２Ｂは、前後方向略中間部分で前後（超低温大型縦型冷凍庫１の前後）に分割可能となっており、発泡断熱材２３もケース２２Ａ，２２Ｂと共に前後に分割可能となっている。ケース２２Ａ，２２Ｂの前側と後側はネジなど(図示せず)により隙間なく当接して固定されている。ケース２２Ａ，２２Ｂの後側を取り外すと、配管固定板１９と固定ネジ２０が露出し、固定ネジ２０の着脱が可能となる。したがって、組立作業やスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂの交換作業などを容易に行うことができる。

冷却部１５に固定された配管１６Ａ〜１６Ｆは、ケース２２Ａ，２２Ｂの底面に形成された貫通孔であるケース孔２４及び外殻体３の天井部１３に形成された貫通孔である外殻体孔２５に挿通され内殻体２に当接されている。ケース孔２４及び外殻体孔２５は３本の配管１６Ａ〜１６Ｃ、１６Ｄ〜１６Ｆが挿通可能な大きさを有しており、配管１６Ａ〜１６Ｃ、１６Ｄ〜１６Ｆを挿通した状態でケース孔２４及び外殻体孔２５は、発泡断熱材や合成樹脂で形成されたスペーサー２６により閉口されている。

図２に示すとおり、内殻体２と外殻体３との間隙には、高密度発泡ウレタン等の高密度発泡断熱材２７に真空断熱材２８を埋め込んだ断熱層２９Ｂが形成されている。この断熱層２９Ｂにより超低温大型縦型冷凍庫１の外部からの熱によって収納部７や配管１６Ａ〜１６Ｆの温度上昇を抑制している。真空断熱材２８は、断熱層２９Ｂ内の外殻体３側に配置されているが、真空断熱材２８は高密度発泡断熱材２７に埋め込まれているため、外殻体３と真空断熱材２８の間には高密度発泡断熱材２７が配置されている。

内殻体２の外面のうち左側面３１、右側面３２、背面３３には、配管６Ａ〜６Ｆが当接して配設されている。配管６Ａ〜６Ｆは、左側面３１、右側面３２、背面３３に銅やアルミ等の熱伝導性テープ３４で貼り付けて固定されている。熱伝導性テープ３４は、配管６Ａ〜６Ｆのうち内殻体２と当接する部分を完全に覆うように貼り付けられているため、熱伝導性テープ３４によっても内殻体２を冷却することができるようになっている。

被冷却部２１よりも上方に位置する配管１６Ａの上端３５Ａには、自然冷媒であるエチレン、エタン、プロパンなどから選択された超低温用冷媒ガスを注入する冷媒注入口３７が形成されている。この冷媒は、超低温大型縦型冷凍庫１による冷却温度により選定され、所定圧力、例えば１ＭＰａ〜５ＭＰａの圧力で封入される。冷媒注入口３７は、冷媒を注入後、封止部材（図示せず）により封止される。

以下、配管１６Ａ〜１６Ｆの配置について図１及び図３を参照しながら説明する。図３は、本実施例の内殻体２の展開図であり、配管１６Ａ〜１６Ｆ及び冷却部１５のみを図示している。

配管１６Ａは、ケース２２Ａ内に配設された冷却部１５から下方に向かって垂直に延設され、内殻体２の背面３３に沿って左側面３１に向かって所定の傾斜を有して下方へ延設され、左側面３１と背面３３との接続部である左接続部３８で湾曲し、左側面３１に沿って正面ドア４に向かって所定の傾斜を有して下方に延設されている。そして、正面ドア４側で湾曲して折り返され正弦曲線状に形成されて下方に向かって延設されている。本実施例では、湾曲して折り返した折返し部３９が正面ドア４側に６箇所、背面３３側に５箇所形成されており、正面ドア４側の方が多く形成されている。これは、正面ドア４が開かれたりすることにより、収納部７の正面ドア４側が最も外部の温度の影響を受け、温度が上昇し易いため、正面ドア４側の冷却力を高めるためである。

配管１６Ｂは、ケース２２Ａ内に配設された冷却部１５から下方に向かって垂直に延設され、内殻体２の背面３３に沿って左側面３１に向かって所定の傾斜を有して下方へ延設され、左接続部３８で湾曲し、左側面３１に沿って配管１６Ａに向かってを所定の傾斜を有して下方に延設されている。そして、配管１６Ａと略平行に正弦曲線状に形成されて下方に向かって延設されている。

配管１６Ａの下端４０Ａと配管１６Ｂの下端４０Ｂは、水平方向に延設された細管状の下部連結管４１により連結されている。

配管１６Ｃは、ケース２２Ａ内に配設された冷却部１５から下方に向かって垂直に延設され、内殻体２の背面３１に沿って正弦曲線状に形成されて下方に向かって延設されている。

配管１６Ｄは、ケース２２Ｂ内に配設された冷却部１５から下方に向かって垂直に延設され、内殻体２の背面３１に沿って正弦曲線状に形成されて下方に向かって延設されている。

配管１６Ｃの下端４０Ｃと配管１６Ｄの下端４０Ｄは、水平方向に延設された細管状の下部連結管４２により連結されている。図３に示すとおり、配管１６Ｃと配管１６Ｄは、内殻体２の背面３１の左右方向の中心線Ｃに対して線対称に配設されている。

配管１６Ｅは、ケース２２Ｂ内に配設された冷却部１５から下方に向かって垂直に延設され、内殻体２の背面３１に沿って右側面３２に向かって所定の傾斜を有して下方へ延設され、右側面３２と背面３１との接続部である左接続部４３で湾曲し、右側面３２に沿って正面ドア４に向かって所定の傾斜を有して下方に延設されている。そして、正面ドア４側で湾曲して折り返され正弦曲線状に形成されて下方に向かって延設されている。

配管１６Ｆは、ケース２２Ｂ内に配設された冷却部１５から下方に向かって垂直に延設され、内殻体２の背面３１に沿って右側面３２に向かって所定の傾斜を有して下方へ延設され、左接続部４３で湾曲し、右側面３２に沿って正面ドア４に向かって所定の傾斜を有して下方に延設されている。そして、配管１６Ｄと略平行に正弦曲線状に形成されて下方に向かって延設されている。なお、配管１６Ａ〜１６Ｆの傾斜は、例えば、４５°や６０°など、液化した冷媒が下方に向かってスムーズに流動する角度が選択される。

配管１６Ｅの下端４０Ｅと配管１６Ｆの下端４０Ｆは、水平方向に延設された細管状の下部連結管４４により連結されている。下部連結管４１，４２，４４の材質、内径及び外径は配管１６Ａ〜１６Ｆの材質、内径及び外径と同一である。なお、本実施例において配管１６Ａ〜１６Ｆは、外径が１２ｍｍ、肉厚が１．５ｍｍに形成されているが、その外径及び肉厚は適宜変更可能である。肉厚については、冷媒を封入後の配管１６Ａ〜１６Ｆ内の圧力に対応させて選択することができる。

下部連結管４１，４２，４４は全て水平方向に延設されているため、液化した冷媒が各配管１６Ａ〜１６Ｆの下端４０Ａ〜４０Ｆ及び下部連結管４１，４２，４４に貯留した場合に、全ての配管１６Ａ〜１６Ｆ内の冷媒の水位が等しくなるため、貯留した冷媒の温度が均一となり冷媒の循環に偏りが出ず、配管１６Ａ〜１６Ｆによる冷却効果を均一に保つことができる。

配管１６Ｂの上端３５Ｂと配管１６Ｃの上端３５Ｃは、細管状の上部連結管４５により連結されており、配管１６Ｄの上端３５Ｄと配管１６Ｅの上端３５Ｅは、細管状の上部連結管４６により連結されている。また、配管１６Ｆの上端３５Ｆは閉口されている。したがって、配管１６Ａ〜１６Ｆは全て連結された１本の配管１６を形成している。このように、配管１６Ａ〜１６Ｆが全て連結され、冷媒注入口３７を一箇所のみ設けることにより、配管１６への冷媒の注入作業が１回で済み、配管１６Ａ〜１６Ｆ内の圧力を均一にすることができる。なお、上部連結管４５，４６の材質、内径及び外径は配管１６Ａ〜１６Ｆの材質、内径及び外径と同一である。

配管１６Ａは、内殻体２の左側面３１を前後に２分割した分割線Ｌの前側の面である前側面３１Ａに配設され、配管１６Ｂは、内殻体２の左側面３１を前後に２分割した分割線Ｌの後側の面である後側面３１Ｂに配設されている。また、配管１６Ｃは、内殻体２の背面３３を左右に２分割した中心線Ｃの左側の面である左側面３３Ａに配設され、配管１６Ｄは、内殻体２の背面３３を左右に２分割した中心線Ｃの右側の面である右側面３３Ｂに配設されている。また、配管１６Ｅは、内殻体２の右側面３２を前後に２分割した分割線Ｒの後側の面である後側面３２Ｂに配設され、配管１６Ｂは、内殻体２の右側面３２を前後に２分割した分割線Ｒの前側の面である前側面３２Ａに配設されている。このように、内殻体２の各面である左側面３１、右側面３２、背面３３に６本の配管１６Ａ〜１６Ｆを２本ずつ分散して上下方向に延設することにより、内殻体２の左右側面３１，３２と背面３３をほぼ均等に６分割して冷却する構成となる。そして、内殻体２の各面である左側面３１、右側面３２、背面３３を２本の配管１６Ａ，１６Ｂ、配管１６Ｃ，１６Ｄ、配管１６Ｅ，１６Ｆを並列に配置して冷却するため、配管１６Ａ〜１６Ｆの被冷却部２１から下端４０Ａ〜４０Ｆまでの距離が短くなり、かつ、折り返した配管１６Ａ〜１６Ｆの隣接する箇所の間隔である配管ピッチ４７が狭くなるため、収納部７内の温度を急冷することができると共に、収納部７内を均一に冷却するので収納部７内の温度ムラを抑制することができる。

なお、本実施例では配管１６Ａ〜１６Ｆの被冷却部２１を配管固定台１８と配管固定板１９に垂直に挟持しているが、所定の傾斜角度で被冷却部２１を傾けて挟持することも可能であり、被冷却部２１の傾きは冷媒の流動性などを考慮して選択することが可能である。

ここで、サーモサイフォン６による内殻体２の冷却方法を説明する。電装ユニット８から電気エネルギーが供給されてスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂが駆動を開始すると、吸熱部１４の温度が降下し、吸熱部１４に取り付けられた冷却部１５が冷却される。そして、配管固定台１８及び配管固定板１９に当接した配管１６Ａ〜１６Ｆの被冷却部２１が冷却される。被冷却部２１が冷却されると、配管１６Ａ〜１６Ｆ内に封入された冷媒の温度が降下する。凝縮温度にまで冷却された冷媒は液化し、重力により配管１６Ａ〜１６Ｆの内部を降下する。配管１６Ａ〜１６Ｆは、内殻体２に当接しているため、配管１６Ａ〜１６Ｆ内の冷媒は内殻体２から吸熱して温度が上昇し、蒸発温度に到達すると気化し、気化した冷媒は配管１６Ａ〜１６Ｆ内を上昇する。上昇した冷媒は被冷却部２１に到達し再び冷却され、凝縮し液化することで再度配管１６Ａ〜１６Ｆ内を降下する。このように冷媒は、熱交換を繰り返し、配管１６Ａ〜１６Ｆ内を循環することにより内殻体２の有する熱を吸熱して内殻体２を冷却し、内殻体２の内部に形成された収納部７を目標温度に冷却することが可能となる。

このように本実施例では、真空断熱材２８と高密度発泡断熱材２７からなる断熱層２９Ｂを有する超低温大型縦型冷凍庫１の庫内としての収納部７を、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂとサーモサイフォン６により直接冷却する冷却システムであって、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂが超低温大型縦型冷凍庫１の上部に複数台配置され、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂの吸熱部１４に複数の配管１６Ａ〜１６Ｆが固定され、配管１６Ａ〜１６Ｆは所定の傾斜角度と間隔を保ち連続して蛇行し、収納部７を形成する内殻壁としての内壁１１及び外壁１２の背面３３及び左右側面３１，３２に沿って下降し、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂが駆動すると複数の配管１６Ａ〜１６Ｆを介して超低温大型縦型冷凍庫１の収納部７が冷却されることにより、配管１６Ａ〜１６Ｆが下端４０Ａ〜４０Ｆまで所定の傾斜角度と間隔を維持するように左側面３１、右側面３２、背面３３の各々の横幅の略半分の長さでＳ字状に蛇行して折り曲げられた連続した配置となり、下端４０Ａ〜４０Ｆまでの距離が短くなり、配管ピッチ４７を狭くすることができる。すなわち、各配管１６Ａ〜１６Ｆの１本が冷却する範囲が狭いため、内殻体２の温度分布において温度差異が小さくなり、収納部７内を短時間で冷却することができる。

また、本実施例では、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂが２台配置され、１台のスターリング冷凍機５Ａ，５Ｂの吸熱部１４には２本以上の配管１６Ａ〜１６Ｃ、１６Ｄ〜１６Ｆが固定され、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂの吸熱部１４に配管１６Ａ〜１６Ｆを着脱自在に取り付ける固定部としての配管固定台１８、配管固定板１９、固定ネジ２０を設けたことにより、配管１６Ａ〜１６Ｆが並列的かつ分散的に構成されるため、大型化した超低温縦型冷凍庫であっても冷却効率の高い省エネ運転が可能になる。

また、本実施例では、超低温大型縦型冷凍庫１の内殻壁としての内壁１１及び外壁１２は異種素材からなる２層の複合材により形成され、内壁１１及び外壁１２の内側は防錆性が良好な素材を用い、内壁１１及び外壁１２の外側は熱伝導性が良好な素材を用い、内壁１１及び外壁１２の外面としての左側面３１、右側面３２、背面３３に配管１６Ａ〜１６Ｆを密着して固定したことにより、内殻体２の内面は防錆性が強化され、外面は熱伝導性を良好にすることができる。また、配管１６Ａ〜１６Ｆを左側面３１、右側面３２、背面３３に密着させているため、効率良く内殻体２を冷却することができる。

また、本実施例では、複数の配管１６Ａ〜１６Ｆの上端３５Ａ〜３５Ｆ又は下端４０Ａ〜４０Ｆ又はその両方が連結され、連結された配管１６Ａ〜１６Ｆの１箇所に冷媒を注入する冷媒注入口３７を設け、配管１６Ａ〜１６Ｆが断熱層２９Ａ，２９Ｂで覆われることにより、配管１６Ａ〜１６Ｆが１本の配管１６となり、冷媒の注入が１回でまとめて行うことができ、配管１６の内部の圧力を均一にすることができ、各配管１６Ａ〜１６Ｆの温度を均一にすることができる。また、配管１６Ａ〜１６Ｆを断熱層２９Ａ，２９Ｂで覆うことにより、外部の熱により配管１６Ａ〜１６Ｆの温度が上昇することを抑制することができる。

なお、本実施例では、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂに各々３本の配管１６Ａ〜１６Ｃ，１６Ｄ〜１６Ｆが設けられているが、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂに設ける配管の数は１本、２本、４本、５本以上であってもよく、スターリング冷凍機５Ａとスターリング冷凍機５Ｂとが異なる本数の配管を備えていてもよい。

図４は、本発明の実施例２を示し、上記実施例１と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。

本実施例は、下部連結部４１，４２，４４及び上部連結部４５，４６を設けず、各配管１６Ａ〜１６Ｆを独立に配設したものである。配管１６Ａ〜１６Ｆの上端３５Ａ〜３５Ｆには、各々冷媒注入口５１Ａ〜５１Ｆが形成されており、各配管１６Ａ〜１６Ｆは別個に冷媒を注入することができる。また、配管１６Ａ〜１６Ｆの下端４０Ａ〜４０Ｆは閉口されている。

本実施例の配管１６Ａ〜１６Ｆは、各々独立しているため、配管１６Ａ〜１６Ｆの一部について修理や交換を行う場合には、その修理・交換の対象となる配管１６Ａ〜１６Ｆのみを取り外せばよく、修理・交換の作業が簡易となる。また、配管１６Ａ〜１６Ｆ毎に冷媒の種類や圧力を任意に選択することができる。

なお、本実施例では、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂに各々３本の配管１６Ａ〜１６Ｃ，１６Ｄ〜１６Ｆが設けられているが、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂに設ける配管の数は１本、２本、４本、５本以上であってもよく、スターリング冷凍機５Ａとスターリング冷凍機５Ｂとが異なる本数の配管を備えていてもよい。

図５は、本発明の実施例３を示し、上記実施例１，２と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。

本実施例は、実施例１，２よりもさらに大型の超低温大型縦型冷凍庫１Ａであり、３台のスターリング冷凍機６１Ａ〜６１Ｃと９本の配管６２Ａ〜６２Ｉを設けたものである。即ち、各スターリング冷凍機６１Ａ〜６１Ｃに対して３本の配管６２Ａ〜６２Ｃ、６２Ｄ〜６２Ｆ、６２Ｇ〜６２Ｉが固定され、内殻体２の左側面３１、右側面３２、背面３３に各々３本の配管６２Ａ〜６２Ｃ、６２Ｄ〜６２Ｆ、６２Ｇ〜６２Ｉ配設している。

スターリング冷凍機６１Ａに固定された配管６２Ａ〜６２Ｃの上端６４Ａ〜６４Ｃは、上部連結管６５Ａにより連結されている。また、スターリング冷凍機６１Ｂに固定された配管６２Ｄ〜６２Ｆの上端６４Ｄ〜６４Ｆは、上部連結管６５Ｂにより連結されている。また、スターリング冷凍機６１Ｃに固定された配管６２Ｇ〜６２Ｉの上端６４Ｇ〜６４Ｉは、上部連結管６５Ｃにより連結されている。上部連結管６５Ａ〜６５Ｃの材質、内径及び外径は、配管６２Ａ〜６２Ｉと同一である。

配管６２Ａ〜６２Ｉの下端６７Ａ〜６７Ｉ（下端６７Ｇ〜６７Ｉについては図示せず）は、水平方向に延設された下部連結管６８に連結されている。下部連結管６８は、左側面３１の正面ドア４付近から右側面３２の正面ドア４付近まで、左側面３１、背面３３、右側面３２に沿って延設されており、接続部３８，４３では湾曲して折り曲げられている。下部連結管６８の材質、内径及び外径は、配管６２Ａ〜６２Ｉと同一である。

上述のように、配管６２Ａ〜６２Ｉは上部連結管６５Ａ〜６５Ｃ及び下部連結管６８によって連結されており、配管６２Ａ〜６２Ｉと上部連結管６５Ａ〜６５Ｃと下部連結管６８の内部が全て繋がった配管６２を形成している。また、上部連結管６５Ｂには、配管６２に冷媒を注入する冷媒注入口６６が形成されているため、配管６２への冷媒の注入作業は１回で行うことができ、配管６２内の圧力を均一にすることができる。

次に、配管６２Ａ〜６２Ｉの配置について説明する。配管６２Ａ〜６２Ｃは、冷却部１５（図５には図示せず）から下方に垂直に延設され、内殻体２の上面６９に到達した箇所で湾曲し、左側面３１に向かって上面６９に当接して延設され、上面６９と左側面３１との接続部７０で湾曲し、左側面３１に沿って正面ドア４に向かって所定の傾斜を有して下方に延設されている。そして、正面ドア４側で湾曲して折り返され正弦曲線状に形成されて下方に向かって延設されている。したがって、配管６２Ａ〜６２Ｃは左側面３１で略平行に略同形状に形成されている。

配管６２Ｄ〜６２Ｆは、冷却部１５（図５には図示せず）から下方に垂直に延設され、内殻体２の背面３３に当接し、配管６２Ｄは左側面３１側に向かって所定の傾斜を有して下方に延設され、配管６２Ｅは下方に向かって垂直に延設され、配管６２Ｅは右側面３２側に向かって所定の傾斜を有して下方に延設されている。そして、配管６２Ｄ〜６２Ｆは、正弦曲線状に形成されて下方に向かって延設されている。したがって、配管６２Ｄ〜６２Ｆは背面３３で略平行に略同形状に形成されている。

配管６２Ｇ〜６２Ｉは、冷却部１５（図５には図示せず）から下方に垂直に延設され、内殻体２の上面６９に到達した箇所で湾曲し、右側面３２に向かって上面６９に当接して延設され、上面６９と右側面３２との接続部７１で湾曲し、右側面３２に沿って正面ドア４に向かって所定の傾斜を有して下方に延設されている。そして、正面ドア４側で湾曲して折り返され正弦曲線状に形成されて下方に向かって延設されている。したがって、配管６２Ｇ〜６２Ｉは右側面３２で略平行に略同形状に形成されている。

このように本実施例では、スターリング冷凍機６１Ａ〜６１Ｃが３台配置され、１台のスターリング冷凍機６１Ａ〜６１Ｃの吸熱部１４には３本の配管６２Ａ〜６２Ｃ、６２Ｄ〜６２Ｆ、６２Ｇ〜６２Ｉが固定され、スターリング冷凍機６１Ａ〜６１Ｃの吸熱部１４に配管６２Ａ〜６２Ｉを着脱自在に取り付ける固定部としての配管固定台１８、配管固定板１９、固定ネジ２０を設けたことにより、配管６２Ａ〜６２Ｉが並列的かつ分散的に構成されるため、さらに大型化した超低温縦型冷凍庫であっても冷却効率の高い省エネ運転が可能になる。

なお、本実施例では、スターリング冷凍機６１Ａ〜６１Ｃに各々３本の配管６１Ａ〜６１Ｃ，６１Ｄ〜６１Ｆ，６１Ｇ〜６１Ｉが設けられているが、スターリング冷凍機６１Ａ〜６１Ｃに設ける配管の数は１本、２本、４本、５本以上であってもよく、各スターリング冷凍機６１Ａ〜６１Ｃが異なる本数の配管を備えていてもよい。

図６は、本発明の実施例４を示し、上記実施例１〜３と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。

本実施例は、実施例３の超低温大型縦型冷凍庫１Ａの各スターリング冷凍機６１Ａ〜６１Ｃに各々２本の配管６２Ａ，６２Ｃ、配管６２Ｄ，６２Ｆ、配管６２Ｇ，６２Ｉを設けたものである。すなわち、配管６２Ｂ，６２Ｅ，６２Ｈを設けない構成である。また、スターリング冷凍機６１Ａを冷却部１５が左側面３１側に向くように配置し、スターリング冷凍機６１Ｃを冷却部１５が右側面３２側を向くように配置したものである。

本実施例では、配管６２Ａ，６２Ｃ，６２Ｇ，６２Ｉを上面６９に当接させる必要がなく、垂直に下方に延設して左側面３１及右側面３２に当接させればよいため、配管６２Ａ，６２Ｃ，６２Ｇ，６２Ｉについて上面６９に当接させるための曲げ加工が不要となる。

配管６２Ａは、左側面３１の前側半分の範囲で正弦曲線状に配設され、配管６２Ｃは、左側面３１の後側半分の範囲で正弦曲線状に配設され、両者は略平行に略同形状に形成されている。

配管６２Ｄは、背面３３の左側半分の範囲で正弦曲線状に配設され、配管６２Ｆは、背面３３の右側半分の範囲で正弦曲線状に配設され、両者は略平行に略同形状に形成されている。なお、配管６２Ｄと配管６２Ｆは、図１及び図３に示す実施例１と図４に示す実施例２の配管１６Ｃ，１６Ｄのように、左右対称となるように配置してもよい。

配管６２Ｇは、右側面３２の後側半分の範囲で正弦曲線状に配設され、配管６２Ｉは、右側面３２の前側半分の範囲で正弦曲線状に配設され、両者は略平行に略同形状に形成されている。

なお、本実施例では、スターリング冷凍機６１Ａ〜６１Ｃに各々２本の配管６２Ａ，６２Ｃ、配管６２Ｄ，６２Ｆ、配管６２Ｇ，６２Ｉが設けられているが、スターリング冷凍機６１Ａ〜６１Ｃに設ける配管の数は１本、３本、４本、５本以上であってもよく、各スターリング冷凍機６１Ａ〜６１Ｃが異なる本数の配管を備えていてもよい。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形実施が可能である。例えば、配管は単管だけではなく、配管内の冷媒の循環を促進するために内部にウィックを形成してもよい。また、配管はステンレス鋼により形成してもよい。また、スターリング冷凍機の数は、超低温縦型冷凍庫の大きさにより４台、５台、それ以上設けてもよい。

１，１Ａ 超低温大型縦置冷凍庫
５Ａ，５Ｂ スターリング冷凍機
６ サーモサイフォン
４ 内壁
５ 真空断熱壁
６ 高密度発泡ウレタン断熱壁
７ 収納部（庫内）
８ 発泡断熱材
９ スペーサー
１１ 内壁（内殻壁）
１２ 外壁（内殻壁）
１６Ａ〜Ｆ 配管
１８ 配管固定台（固定部）
１９ 配管固定板（固定部）
２０ 固定ネジ（固定部）
２７ 高密度発泡断熱材
２８ 真空断熱材
２９Ａ，２９Ｂ 断熱層
３１ 左側面（内殻壁の外面）
３２ 右側面（内殻壁の外面）
３３ 背面（内殻壁の外面）
３５Ａ〜３５Ｆ 上端
３７ 冷媒注入口
４０Ａ〜４０Ｆ 下端
４７ 配管ピッチ（間隔）
６１Ａ〜６１Ｃ スターリング冷凍機
６２Ａ〜６２Ｉ 配管
６４Ａ〜６４Ｉ 上端
６６ 冷媒注入口
６７Ａ〜６７Ｉ 下端

本発明の並列分散型冷却システムは、真空断熱材と高密度発泡断熱材からなる断熱層を有する超低温大型縦型冷凍庫の庫内を、スターリング冷凍機とサーモサイフォンにより直接冷却する冷却システムであって、前記スターリング冷凍機が前記超低温大型縦型冷凍庫の天井部に複数台配置され、前記スターリング冷凍機の吸熱部に複数の配管が固定され、前記複数の配管は所定の傾斜角度と間隔を保ち連続して蛇行し、前記庫内を形成する内殻壁の背面及び左右側面に沿って並列に下降し、前記スターリング冷凍機が駆動すると前記複数の配管を介して前記超低温大型縦型冷凍庫の庫内が冷却されることを特徴とする。

このように本実施例では、真空断熱材２８と高密度発泡断熱材２７からなる断熱層２９Ｂを有する超低温大型縦型冷凍庫１の庫内としての収納部７を、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂとサーモサイフォン６により直接冷却する冷却システムであって、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂが超低温大型縦型冷凍庫１の天井部に複数台配置され、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂの吸熱部１４に複数の配管１６Ａ〜１６Ｆが固定され、複数の配管１６Ａ〜１６Ｆは所定の傾斜角度と間隔を保ち連続して蛇行し、収納部７を形成する内殻壁としての内壁１１及び外壁１２の背面３３及び左右側面３１，３２に沿って並列に下降し、スターリング冷凍機５Ａ，５Ｂが駆動すると複数の配管１６Ａ〜１６Ｆを介して超低温大型縦型冷凍庫１の収納部７が冷却されることにより、配管１６Ａ〜１６Ｆが下端４０Ａ〜４０Ｆまで所定の傾斜角度と間隔を維持するように左側面３１、右側面３２、背面３３の各々の横幅の略半分の長さでＳ字状に蛇行して折り曲げられた連続した配置となり、下端４０Ａ〜４０Ｆまでの距離が短くなり、配管ピッチ４７を狭くすることができる。すなわち、各配管１６Ａ〜１６Ｆの１本が冷却する範囲が狭いため、内殻体２の温度分布において温度差異が小さくなり、収納部７内を短時間で冷却することができる。

Claims (4)

1. 真空断熱材と高密度発泡断熱材からなる断熱層を有する超低温大型縦型冷凍庫の庫内を、スターリング冷凍機とサーモサイフォンにより直接冷却する冷却システムであって、
   前記スターリング冷凍機が前記超低温大型縦型冷凍庫の上部に複数台配置され、
   前記スターリング冷凍機の吸熱部に複数の配管が固定され、
   前記配管は所定の傾斜角度と間隔を保ち連続して蛇行し、前記庫内を形成する内殻壁の背面及び左右側面に沿って下降し、
   前記スターリング冷凍機が駆動すると前記複数の配管を介して前記超低温大型縦型冷凍庫の庫内が冷却されることを特徴とする並列分散型冷却システム。
2. 前記スターリング冷凍機が２台又は３台配置され、
   １台の前記スターリング冷凍機の吸熱部には２本以上の前記配管が固定され、
   前記スターリング冷凍機の吸熱部に前記配管を着脱自在に取り付ける固定部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の並列分散型冷却システム。
3. 前記超低温大型縦型冷凍庫の内殻壁は異種素材からなる２層の複合材により形成され、
   前記内殻壁の内側は防錆性が良好な素材を用い、前記内殻壁の外側は熱伝導性が良好な素材を用い、
   前記内殻壁の外面に前記配管を密着して固定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の並列分散型冷却システム。
4. 前記複数の配管の上端又は下端又はその両方が連結され、
   連結された前記配管の１箇所に冷媒を注入する冷媒注入口を設け、
   前記配管が前記断熱層で覆われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の並列分散型冷却システム。

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