JP3910096B2 - スターリング機関用放熱システムおよびそれを備えた冷却庫 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング機関用放熱システムおよびそれを備えた冷却庫に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、家庭用冷蔵庫などではCFC（特定フロン）及びHCFC系冷媒を循環させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルが一般的に使われている。しかしながら、これらの冷媒は、大気中に放出されると、分解されずに成層圏に達してオゾン層を破壊する環境問題が指摘されている。このため、従来から広く使用されているこれらの冷媒の使用並びに生産が国際条約に規制されている。
【０００３】
このような背景のもと、逆スターリングサイクルの特性が見直され、近年、それを利用するスターリング冷凍機に関する研究開発が進んでいる。このスターリング冷凍機は地球環境に影響を及ばすことのないヘリウム等の不活性ガスを作動媒体としており、シリンダ内部で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媒体の圧縮・膨張を行い、圧縮で生ずる熱をシリンダの外部へ放熱し、膨張でシリンダの外部の熱を吸熱して冷熱を得るものである。ここで、シリンダの放熱する部分を高温部、吸熱する部分を低温部とそれぞれ呼ぶことにする。
【０００４】
ところで、スターリング冷凍機から効率よく冷熱を得るには、高温部からの放熱を効率良く行う必要がある。そのため、従来のスターリング冷凍機では、高温部の内面と外面に内部熱交換器と外部熱交換器を設け、シリンダの放熱面積を大きくするようにしていた。しかしながら、内部熱交換器や外部熱交換器による放熱面積の拡大では、熱伝導による放熱しか行えないので、充分に放熱の効率をよくすることはできなかった。
【０００５】
そこで、特開平11−223404号公報には、高温部に水を流したり、空気を送風することにより、高温部を強制的に冷却し、放熱を促進するように構成されたスターリング冷凍機が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この公報に記載のスターリング冷凍機では、水冷の場合は、水を強制循環させるため、ポンプなどの外部動力の駆動により消費電力が大きくなってしまう。さらに、冷媒である水の顕熱を利用して熱交換が行われているので、水の蒸発潜熱を利用して熱交換を行う場合に比べて、冷却効率は数10分の1程度まで低くなる。そのため、循環して戻ってくる水を十分に冷却してやる必要があり、スターリング冷凍機の成績係数（COP）の低下を招いていた。
【０００７】
一方、空冷の場合は、伝熱面積の小さい高温部に蓄積した熱を効率よく放熱させる必要がある。そのため、上記の公報では、高密度にフィンを密集させた外部熱交換器を高温部の周囲に設け、ファンを回して大風量の空気をフィンに送風するようにしている。したがって、フィンのゴミ詰まりの問題やファンの消費電力増加などさまざまな問題が生じる。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、外部動力に頼らずに、高温部の熱の放熱を充分に促進することができるスターリング機関用放熱システム及びそれを備えた冷却庫を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、スターリング機関の作動媒体の圧縮過程で発生する熱を放熱するスターリング機関用放熱システムにおいて、
前記放熱システムは水や炭化水素等の自然冷媒を用いた冷凍サイクルから成り、
前記スターリング機関の高温部に取り付けられた蒸発器と、
前記蒸発器より高い位置に配置され前記自然冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを連結して冷媒を循環させる蒸気側配管と液側配管とを備え、
前記蒸発器は、前記高温部の周囲に接触して取り付けられた一対の半円環状の容器であり、それぞれ液側配管と蒸気側配管を介在して別々の凝縮器に接続することにより、一対の独立な放熱システムを構成して、前記各々の蒸発器は前記高温部の周囲に対向面が垂直面から成るように水平方向に対向して配置され、前記各々の蒸気側配管は前記垂直面に近接して前記蒸発器の上部付近に接続されることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明は、前記凝縮器のそれぞれに対向して個別に駆動するファンを設けたことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明は、前記蒸気側配管と前記液側配管を前記凝縮器の前後で複数パスに分岐させたことを特徴としている。
【００１２】
さらに、本発明は、前記液側配管に圧力調整弁を設けることを特徴としている。
【００１３】
また本発明の冷却庫は、上記のスターリング機関用放熱システムを備えたことを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。まず、図１は本発明のスターリング冷凍機の熱搬送システム図である。この熱搬送システムは、シリンダの内部に封入された作動媒体の膨張過程で吸熱して冷熱を発生する低温部３と、作動媒体の膨張過程で温熱を発生する高温部２とを有するスターリング冷凍機１と、低温側冷熱搬送サイクル（吸熱システム）５と、高温側熱搬送サイクル（放熱システム）４とからなる。
【００１５】
低温側冷熱搬送サイクル５は、低温部３の周囲に接触して取り付けられた低温側凝縮器１２と、凝縮液側冷媒配管１３及び蒸気側冷媒配管１４により低温側凝縮器１２と繋がれた低温側蒸発器１５とから構成された循環回路である。この回路内には二酸化炭素や炭化水素等が冷媒として封入されている。また、冷媒の蒸発と凝縮による自然循環が利用できるように、低温側蒸発器１５を低温側凝縮器１２より低い位置に設置する方が望ましい。
【００１６】
一方、高温側熱搬送サイクル４は、水や炭化水素等の自然冷媒を用いた冷凍サイクルから成り、スターリング冷凍機１の高温部２に取り付けられた高温側蒸発器６と、高温側蒸発器６より高い位置に配置され自然冷媒を凝縮する高温側凝縮器８と、高温側蒸発器６と高温側凝縮器８とを連結して冷媒を循環させる蒸気側冷媒配管７と凝縮液側冷媒配管１１と、凝縮液側冷媒配管１１に設置された気液分離器９（或いは液溜）とから構成された循環回路である。この回路内には水（水溶液を含む）や炭化水素等の自然冷媒が冷媒として封入されている。このように、水（水溶液を含む）や炭化水素を冷媒として使うことによって、環境や人体への悪影響をなくすことができる。なお、冷媒の蒸発と凝縮による自然循環を円滑にするため、凝縮液側冷媒配管１１を高温側蒸発器６の最下端に連結している。
【００１７】
次に、高温側熱搬送サイクル４の動作について説明する。高温部２に発生した熱は、高温部２の周囲から高温側蒸発器６に伝達され、この高温側蒸発器６に溜まっている冷媒を蒸発させる。蒸発した冷媒蒸気は、蒸気側冷媒配管７を上昇して、より高い位置に設置された高温側凝縮器８に流入する。そして、そこで環境雰囲気と熱交換して、冷媒蒸気はほとんど液化される。
【００１８】
その液体（又は、気体を混合した液体）冷媒は、凝縮液側冷媒配管１１を下降し、その途中で気液分離器９を通って気体と液体に分離され、液冷媒のみが高温側蒸発器６に戻され、再び高温部２の熱により蒸発される。このように、冷媒の蒸発・凝縮における潜熱を利用することによって、顕熱による熱交換より数10倍も大きい熱伝達量が得られるため、熱交換効率が大幅に高められる。さらに、上記のように、本発明では、高温側凝縮器８と高温側蒸発器６との上下配置における高度差と、気体と液体の比重差とによる圧力差によって、冷媒を循環させる駆動力が得られる。従って、ポンプなどの外部動力なしで冷媒を循環させることができるため、省エネが可能となる。
【００１９】
ところで、気温が氷点下になることがある寒冷地などにおいて、水冷媒を使用する場合、凍結による配管の破裂等の問題が考えられる。そこで、水冷媒にエタノールやエチレングリコールを混入させることによって、凝固点を降下させて凍結問題を解決できる。この場合、これらの添加物質による水冷媒の性能低下や、或いは添加物質の濃度による可燃性などの危険性を避けるため、エタノール或いはエチレングリコールの添加率を20wt％以下にすることが望ましい。
【００２０】
また、高温側蒸発器６で冷媒に熱が伝達される時、高温側蒸発器６の内部で不安定な沸騰が起こるため、冷媒を循環する駆動力となる圧力差のバランスが乱される傾向がある。この乱れによって、高温部２で生成した冷媒蒸気が急速に蒸気側配管７を上昇して上部の高温側凝縮器８へ流入したり、下部の液側配管１１に逆流したりするような脈動状の流れが生じることがある。この脈動的な流れ状態により、高温部２の温度も波打つように変化する状態になってしまうため、スターリング冷凍機１の故障や寿命の低減を招く原因となる。
【００２１】
そこで、全部または一部の液側配管１１に、蒸気側配管７より内径の小さな細管を使用している。これによって、液側配管１１を通る冷媒の流動抵抗が増すため、蒸気冷媒は自然に抵抗の小さな蒸気側配管７へ流れていくことになる。これにより、冷媒の逆流による不安定な冷媒循環を抑えることができる。
【００２２】
あるいは、液側配管１１の気液分離器９の下方に圧力調整弁１０を設置することによって、冷媒蒸気の逆流が生じないように、液側配管１１を流れる冷媒の流動抵抗をコントロールすることができる。これにより、冷媒の逆流による不安定な冷媒循環を抑えることができる。
【００２３】
あるいは、これらを組み合わせて、図１に示すように、液側配管１１に細管を使用するとともに、その途中に圧力調整弁１０を設置することにより、より効果的に冷媒の逆流による不安定な冷媒循環を抑えることができる。
【００２４】
ここで、高温部２の周囲に接触させる高温側蒸発器６の一形態として、環状（ドーナツ状）蒸発器１６の正面図を図２に示す。図３は、図２のX-X線断面図である。この環状蒸発器１６は、ベース１７及び壁面１８により構成された密閉状態の空洞１９と、ベース１７に取り付けられたフィン２０からなる。環状蒸発器１６の上下に、それぞれ蒸気側配管７と液側配管１１とが接続されている。
【００２５】
スターリング冷凍機１の高温部２に生ずる熱は、環状蒸発器１６のベース１７を介して、フィン２０及び壁面１８に伝達して、空洞１９に溜まっている冷媒液を蒸発させる。蒸発された冷媒蒸気が蒸気側配管７に接続された高温側凝縮器８に供給され、高温側凝縮器８からの凝縮液が液側配管１１を介して、環状蒸発器１６に帰還する。このように、環状蒸発器１６を用いることによって、伝熱面積が拡大され、高温部２に生ずる熱を効率良く冷媒に伝達することができる。
【００２６】
あるいは、スターリング冷凍機１に高温側蒸発器６を簡単に取り付けられるようにするため、図４〜図６に示すように、半分に分割可能な環状蒸発器２４を採用してもよい。この環状蒸発器２４は、一対の線対称な半円環状蒸発器２４Ａ,２４Ｂにより構成されており、ぞれぞれ、ベース２５と、壁面２６と、ベース２５及び壁面２６により構成された密閉状態の空洞２８と、ベース２５に取り付けられたフィン２７からなる。そして、半円環状蒸発器２４Ａ,２４Ｂの上下に、それぞれ蒸気側配管７と液側配管１１とが接続されている。
【００２７】
これらの半円環状蒸発器２４Ａ,２４Ｂは次のようにして簡単に高温部２の周囲に取り付けることができる。すなわち、一対の半円環状蒸発器２４Ａ，２４Ｂを高温部２の周囲に密着させるように環状に合わせる。そして、一つ或いは複数のベルトやバンド３１を用いて周囲から締付ける。これにより、ネジ締めやかしめ不要で、環状蒸発器２４を高温部２に簡単に密着・固定できる。なお、高温部２の全周で環状蒸発器２４との接触状態を均一にするため、伝熱グリスを使用して両者を密着させることが望ましい。
【００２８】
また、上記の環状蒸発器１６,２４のフィン２０（図３参照）やフィン２７（図６参照）の表面に細かい溝や裂痕などが形成されるように、サンドブラスト加工などの加工法によって、粗化加工を施してもよい。これによって、フィン２０，２７の表面の熱伝達性が向上するとともに、フィン２０,２７の表面に生成した気泡が脱離しやすくなるため、局所の過熱現象による突沸が抑えられ、均一かつ効率的に熱を伝達することができるようになる。
【００２９】
ここで、スターリング冷凍機１の駆動により、高温部２の温度が過剰に上昇すると、放熱が不十分となりスターリング冷凍機１のCOPが低下し、あるいは耐熱性の低い部品の寿命が短くなりスターリング冷凍機１の性能が劣化しやすくなる。したがって、高温部２の温度はできるだけ低く保つのが望ましい。しかし、水（或いは水溶液）を冷媒として使用する場合、温度が低くなると、冷媒液の粘度が著しく増大し、冷媒の循環における流動抵抗が大きくなる。さらに、冷媒蒸気の蒸気圧も低下して気流の勢いが弱まってしまう。このため、冷媒の循環量が不足し、場合によっては、冷媒が循環しなくなるという課題が生じてしまう。
【００３０】
そこで、図７及び図８に示されている構造を採用することによって、この課題を解決できる。まず、図７に示しているのは、環状蒸発器１６と、２パスに構成された凝縮器３２と、環状蒸発器１６と凝縮器３２との間に介在された蒸気側配管３３、３４及び液側配管３５,３６とからなる放熱システムである。
【００３１】
環状蒸発器１６に溜まった冷媒は、スターリング冷凍機１の高温部２に生ずる熱を奪って蒸発され、環状蒸発器１６上部に設置された蒸気側配管３３と２パスに分かれた蒸気側配管３４とを通過した後、凝縮器３２に流れ込んで、環境雰囲気と熱交換を行って凝縮される。そして、凝縮した冷媒液は、２パスの液側配管３５を通過し、さらに液側配管３６を通って、環状蒸発器１６に戻される。
【００３２】
このように、冷媒の配管を凝縮器３２の前後で２パスにしたことにより、配管を流れる冷媒の流動抵抗が４分の１程度まで小さくなる。したがって、冷媒蒸気の蒸気圧が低くなり、冷媒液の粘性が増しても、冷媒の循環量が不足したり、冷媒が循環しなくなるという問題が生じない。なお、安定して冷媒蒸気を凝縮器３２に導くため、環状蒸発器１６に接続している冷媒配管３３は、その先で分岐した冷媒配管３４より太い配管を採用することが望ましい。
【００３３】
また、一対の半円環状蒸発器２４Ａ、２４Ｂと、一対の凝縮器３８Ａ、３８Ｂと、それぞれの配管３９Ａ、３９Ｂ、４０Ａ、４０Ｂとからなる放熱システムを図８に示す。ここで、第１放熱システム４１Ａと第２放熱システム４１Ｂとは同様な構成であり、その動作や性質も同じである。
【００３４】
ここで、第１放熱システム４１Ａを代表にして、放熱の動作を説明する。半円環状蒸発器２４Ａに溜まっている冷媒は、スターリング冷凍機１の高温部２で生ずる熱により蒸発され、半円環状蒸発器２４Ａの上部に設けている蒸気側配管３９Ａを上昇して凝縮器３８Ａに流入し、ここで環境雰囲気と熱交換を行って凝縮される。そして、凝縮された冷媒液は、凝縮器３８Ａに接続された液側配管４０Ａを通って、半円環状蒸発器３４Ａに戻される。
【００３５】
このように、放熱システムは２つの独立な第１，第２放熱システム４１Ａ、４１Ｂによって構成されているので、一つの放熱システムからの放熱量は半分となる。したがって、冷媒配管３９Ａ或いは３９Ｂに通過する冷媒流量も半減される。そのため、流動抵抗も４分の１程度まで小さくなり、冷媒循環量が不足したり、冷媒が循環しないという問題を解決できる。
【００３６】
また、放熱システム４１Ａと放熱システム４１Ｂがお互いに独立な構造となっているため、それぞれ異なる場所に配置することが可能である。これにより、冷却装置に組み込むレイアウトの自由度が高まる。
【００３７】
さらに、図９に示すように、凝縮器３８Ａ、３８Ｂにそれぞれ対向したファン５２Ａ、５２Ｂを設けることにより、放熱システム４１Ａと放熱システム４１Ｂとそれぞれ異なる動作をさせることも可能である。
【００３８】
例えば、出荷後の初期運転（プルダウン運転）などの出力の大きい運転を行うとき、放熱システム４１Ａと４１Ｂを同時に稼動させる。すなわち、両方のファン５２Ａとファン５２Ｂを同時に駆動して凝縮器３８Ａと凝縮器３８Ｂに送風すると、両方の凝縮器３８Ａ，３８Ｂの熱交換量が増大するため、第１、第２放熱システム４１Ａ，４１Ｂの両方が作動してそれぞれ冷媒を循環させることができる。
【００３９】
あるいは、逆に出力の少ない定常運転を行うときは、放熱システム４１Ａと４１Ｂのうち、一つだけ稼動させるような動作態様が可能となる。すなわち、片方のファン５２Ａのみを駆動して凝縮器３８Ａに送風すると、片方の凝縮器３８Ａの熱交換量が増大するため、第１放熱システム４１Ａのみが作動して冷媒を循環させることができる。これにより、放熱システムの部品寿命の延長や省エネなどのメリットが得られる。
【００４０】
図１０に、本発明のスターリング冷凍機１を使用した冷却庫５０の一例を示す。冷却庫５０の背面の上部にスターリング冷凍機１を、冷却庫５０の背面の下部に低温側蒸発器１５を、冷却庫５０の上部に高温側凝縮器４１をそれぞれ配置している。そして、低温側蒸発器１５は、冷却庫５０の庫内の冷気ダクト４２に内設され、高温側凝縮器４１は冷却庫５０の上部に設けたダクト４３に内設される。
【００４１】
スターリング冷凍機１が動作すると、上述のように高温部２（図１参照）で発生した温熱が高温側凝縮器４１を通じて空気と熱交換される。このとき、送風ファン４４によりダクト４３内の暖かい空気が冷却庫５０の庫外へ排出されるとともに、冷却庫５０の庫外の空気が取り込まれ、熱交換が促進される。
【００４２】
一方、低温部３（図１参照）で発生した冷熱は、上述のように低温側蒸発器１５を通じて冷気ダクト４２内の気流と熱交換される。このとき、冷凍空間側ファン４５と冷蔵空間側ファン４６により、低温側蒸発器１５で冷やされた冷気がそれぞれ冷凍空間４７および冷蔵空間４８に送風される。各冷却空間からの暖かくなった気流は冷機ダクト４２を通じて再び低温側蒸発器１５に送られ、繰り返し冷却される。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のスターリング機関用放熱システムは、スターリング機関の高温部の放熱を自然冷媒の蒸発・凝縮を使用して行うシステムであり、人工冷媒を一切使用しないので、環境や人体への悪影響を与えないとともに、凝縮器を蒸発器より上方に配置して、蒸発器で蒸発した冷媒蒸気を蒸発器から蒸気側配管を通って凝縮器へ上昇させるとともに、凝縮器で凝縮した冷媒液を液側配管を通って蒸発器へ自然循環させることを可能にしているので、冷媒を循環させる外部の駆動力が不要となり、省エネ効果も大きい。
【００４４】
そして、この放熱システムを構成する蒸発器として、スターリング機関の高温部の周囲に接触する環状蒸発器や半円環状蒸発器を採用することによって、熱伝導性を高めているので、熱交換効率は一層良くなる。さらに、これら蒸発器のフィン表面を粗化処理することによって、冷媒への熱伝達が促進され、フィン表面における局所過熱も抑えることができる。
【００４５】
また、環状蒸発器に接続される配管を凝縮器の前後で２パスに分岐させた構造や、一対の半円環状蒸発器のそれぞれに配管を介して凝縮器を接続するツイン放熱システム構造を用いることによって、冷媒の流動抵抗が軽減されるため、冷媒循環量不足などの問題を解決できる。特に、ツイン放熱システムでは、一対の凝縮器に対向してそれぞれファンを設け、個別にファンを駆動することにより、スターリング機関の出力に応じて各放熱システムを独立して動作させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるスターリング冷凍機の熱搬送システム図である。
【図２】 その熱搬送システムに使用される環状蒸発器の一例の正面図である。
【図３】 図２のX-X線断面図である。
【図４】 その熱搬送システムに使用される環状蒸発器の他の例の正面図である。
【図５】 その環状蒸発器の側面図である。
【図６】 図４のY-Y線断面図である。
【図７】 ２パス放熱システム図である。
【図８】 ２サイクル放熱システム図である。
【図９】 ２サイクル放熱システム図の変形例である。
【図１０】 本発明のスターリング冷却庫の側面断面図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
２ 低温部
３ 高温部
４ 高温側熱搬送サイクル
５ 低温側冷熱搬送サイクル
６ 高温側蒸発器
７ 蒸気側冷媒配管
８ 高温側凝縮器
９ 気液分離器
１１ 凝縮液側冷媒配管
１２ 低温側凝縮器
１３ 凝縮液側冷媒配管
１４ 蒸気側冷媒配管
１５ 低温側蒸発器
１６,２４ 環状蒸発器
２０，２７ フィン
３７Ａ，３７Ｂ 半円環状蒸発器
４２ 冷気ダクト
４３ ダクト
５２Ａ，５２Ｂ ファン
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング機関用放熱システムおよびそれを備えた冷却庫に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、家庭用冷蔵庫などではCFC（特定フロン）及びHCFC系冷媒を循環させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルが一般的に使われている。しかしながら、これらの冷媒は、大気中に放出されると、分解されずに成層圏に達してオゾン層を破壊する環境問題が指摘されている。このため、従来から広く使用されているこれらの冷媒の使用並びに生産が国際条約に規制されている。
【０００３】
このような背景のもと、逆スターリングサイクルの特性が見直され、近年、それを利用するスターリング冷凍機に関する研究開発が進んでいる。このスターリング冷凍機は地球環境に影響を及ばすことのないヘリウム等の不活性ガスを作動媒体としており、シリンダ内部で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媒体の圧縮・膨張を行い、圧縮で生ずる熱をシリンダの外部へ放熱し、膨張でシリンダの外部の熱を吸熱して冷熱を得るものである。ここで、シリンダの放熱する部分を高温部、吸熱する部分を低温部とそれぞれ呼ぶことにする。
【０００４】
ところで、スターリング冷凍機から効率よく冷熱を得るには、高温部からの放熱を効率良く行う必要がある。そのため、従来のスターリング冷凍機では、高温部の内面と外面に内部熱交換器と外部熱交換器を設け、シリンダの放熱面積を大きくするようにしていた。しかしながら、内部熱交換器や外部熱交換器による放熱面積の拡大では、熱伝導による放熱しか行えないので、充分に放熱の効率をよくすることはできなかった。
【０００５】
そこで、特開平11−223404号公報には、高温部に水を流したり、空気を送風することにより、高温部を強制的に冷却し、放熱を促進するように構成されたスターリング冷凍機が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この公報に記載のスターリング冷凍機では、水冷の場合は、水を強制循環させるため、ポンプなどの外部動力の駆動により消費電力が大きくなってしまう。さらに、冷媒である水の顕熱を利用して熱交換が行われているので、水の蒸発潜熱を利用して熱交換を行う場合に比べて、冷却効率は数10分の1程度まで低くなる。そのため、循環して戻ってくる水を十分に冷却してやる必要があり、スターリング冷凍機の成績係数（COP）の低下を招いていた。
【０００７】
一方、空冷の場合は、伝熱面積の小さい高温部に蓄積した熱を効率よく放熱させる必要がある。そのため、上記の公報では、高密度にフィンを密集させた外部熱交換器を高温部の周囲に設け、ファンを回して大風量の空気をフィンに送風するようにしている。したがって、フィンのゴミ詰まりの問題やファンの消費電力増加などさまざまな問題が生じる。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、外部動力に頼らずに、高温部の熱の放熱を充分に促進することができるスターリング機関用放熱システム及びそれを備えた冷却庫を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、スターリング機関の作動媒体の圧縮過程で発生する熱を放熱するスターリング機関用放熱システムにおいて、
前記放熱システムは水や炭化水素等の自然冷媒を用いた冷凍サイクルから成り、
前記スターリング機関の高温部に取り付けられた蒸発器と、
前記蒸発器より高い位置に配置され前記自然冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを連結して冷媒を循環させる蒸気側配管と液側配管とを備え、
前記蒸発器は、前記高温部の周囲に接触して取り付けられた一対の半円環状の容器であり、それぞれ液側配管と蒸気側配管を介在して別々の凝縮器に接続することにより、一対の独立な放熱システムを構成して、前記各々の蒸発器は前記高温部の周囲に対向面が垂直面から成るように水平方向に対向して配置され、前記各々の蒸気側配管は前記垂直面に近接して前記蒸発器の上部付近に接続されることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明は、前記凝縮器のそれぞれに対向して個別に駆動するファンを設けたことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明は、前記蒸気側配管と前記液側配管を前記凝縮器の前後で複数パスに分岐させたことを特徴としている。
【００１２】
さらに、本発明は、前記液側配管に圧力調整弁を設けることを特徴としている。
【００１３】
また本発明の冷却庫は、上記のスターリング機関用放熱システムを備えたことを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。まず、図１は本発明のスターリング冷凍機の熱搬送システム図である。この熱搬送システムは、シリンダの内部に封入された作動媒体の膨張過程で吸熱して冷熱を発生する低温部３と、作動媒体の膨張過程で温熱を発生する高温部２とを有するスターリング冷凍機１と、低温側冷熱搬送サイクル（吸熱システム）５と、高温側熱搬送サイクル（放熱システム）４とからなる。
【００１５】
低温側冷熱搬送サイクル５は、低温部３の周囲に接触して取り付けられた低温側凝縮器１２と、凝縮液側冷媒配管１３及び蒸気側冷媒配管１４により低温側凝縮器１２と繋がれた低温側蒸発器１５とから構成された循環回路である。この回路内には二酸化炭素や炭化水素等が冷媒として封入されている。また、冷媒の蒸発と凝縮による自然循環が利用できるように、低温側蒸発器１５を低温側凝縮器１２より低い位置に設置する方が望ましい。
【００１６】
一方、高温側熱搬送サイクル４は、水や炭化水素等の自然冷媒を用いた冷凍サイクルから成り、スターリング冷凍機１の高温部２に取り付けられた高温側蒸発器６と、高温側蒸発器６より高い位置に配置され自然冷媒を凝縮する高温側凝縮器８と、高温側蒸発器６と高温側凝縮器８とを連結して冷媒を循環させる蒸気側冷媒配管７と凝縮液側冷媒配管１１と、凝縮液側冷媒配管１１に設置された気液分離器９（或いは液溜）とから構成された循環回路である。この回路内には水（水溶液を含む）や炭化水素等の自然冷媒が冷媒として封入されている。このように、水（水溶液を含む）や炭化水素を冷媒として使うことによって、環境や人体への悪影響をなくすことができる。なお、冷媒の蒸発と凝縮による自然循環を円滑にするため、凝縮液側冷媒配管１１を高温側蒸発器６の最下端に連結している。
【００１７】
次に、高温側熱搬送サイクル４の動作について説明する。高温部２に発生した熱は、高温部２の周囲から高温側蒸発器６に伝達され、この高温側蒸発器６に溜まっている冷媒を蒸発させる。蒸発した冷媒蒸気は、蒸気側冷媒配管７を上昇して、より高い位置に設置された高温側凝縮器８に流入する。そして、そこで環境雰囲気と熱交換して、冷媒蒸気はほとんど液化される。
【００１８】
その液体（又は、気体を混合した液体）冷媒は、凝縮液側冷媒配管１１を下降し、その途中で気液分離器９を通って気体と液体に分離され、液冷媒のみが高温側蒸発器６に戻され、再び高温部２の熱により蒸発される。このように、冷媒の蒸発・凝縮における潜熱を利用することによって、顕熱による熱交換より数10倍も大きい熱伝達量が得られるため、熱交換効率が大幅に高められる。さらに、上記のように、本発明では、高温側凝縮器８と高温側蒸発器６との上下配置における高度差と、気体と液体の比重差とによる圧力差によって、冷媒を循環させる駆動力が得られる。従って、ポンプなどの外部動力なしで冷媒を循環させることができるため、省エネが可能となる。
【００１９】
ところで、気温が氷点下になることがある寒冷地などにおいて、水冷媒を使用する場合、凍結による配管の破裂等の問題が考えられる。そこで、水冷媒にエタノールやエチレングリコールを混入させることによって、凝固点を降下させて凍結問題を解決できる。この場合、これらの添加物質による水冷媒の性能低下や、或いは添加物質の濃度による可燃性などの危険性を避けるため、エタノール或いはエチレングリコールの添加率を20wt％以下にすることが望ましい。
【００２０】
また、高温側蒸発器６で冷媒に熱が伝達される時、高温側蒸発器６の内部で不安定な沸騰が起こるため、冷媒を循環する駆動力となる圧力差のバランスが乱される傾向がある。この乱れによって、高温部２で生成した冷媒蒸気が急速に蒸気側配管７を上昇して上部の高温側凝縮器８へ流入したり、下部の液側配管１１に逆流したりするような脈動状の流れが生じることがある。この脈動的な流れ状態により、高温部２の温度も波打つように変化する状態になってしまうため、スターリング冷凍機１の故障や寿命の低減を招く原因となる。
【００２１】
そこで、全部または一部の液側配管１１に、蒸気側配管７より内径の小さな細管を使用している。これによって、液側配管１１を通る冷媒の流動抵抗が増すため、蒸気冷媒は自然に抵抗の小さな蒸気側配管７へ流れていくことになる。これにより、冷媒の逆流による不安定な冷媒循環を抑えることができる。
【００２２】
あるいは、液側配管１１の気液分離器９の下方に圧力調整弁１０を設置することによって、冷媒蒸気の逆流が生じないように、液側配管１１を流れる冷媒の流動抵抗をコントロールすることができる。これにより、冷媒の逆流による不安定な冷媒循環を抑えることができる。
【００２３】
あるいは、これらを組み合わせて、図１に示すように、液側配管１１に細管を使用するとともに、その途中に圧力調整弁１０を設置することにより、より効果的に冷媒の逆流による不安定な冷媒循環を抑えることができる。
【００２４】
ここで、高温部２の周囲に接触させる高温側蒸発器６の一形態として、環状（ドーナツ状）蒸発器１６の正面図を図２に示す。図３は、図２のX-X線断面図である。この環状蒸発器１６は、ベース１７及び壁面１８により構成された密閉状態の空洞１９と、ベース１７に取り付けられたフィン２０からなる。環状蒸発器１６の上下に、それぞれ蒸気側配管７と液側配管１１とが接続されている。
【００２５】
スターリング冷凍機１の高温部２に生ずる熱は、環状蒸発器１６のベース１７を介して、フィン２０及び壁面１８に伝達して、空洞１９に溜まっている冷媒液を蒸発させる。蒸発された冷媒蒸気が蒸気側配管７に接続された高温側凝縮器８に供給され、高温側凝縮器８からの凝縮液が液側配管１１を介して、環状蒸発器１６に帰還する。このように、環状蒸発器１６を用いることによって、伝熱面積が拡大され、高温部２に生ずる熱を効率良く冷媒に伝達することができる。
【００２６】
あるいは、スターリング冷凍機１に高温側蒸発器６を簡単に取り付けられるようにするため、図４〜図６に示すように、半分に分割可能な環状蒸発器２４を採用してもよい。この環状蒸発器２４は、一対の線対称な半円環状蒸発器２４Ａ,２４Ｂにより構成されており、ぞれぞれ、ベース２５と、壁面２６と、ベース２５及び壁面２６により構成された密閉状態の空洞２８と、ベース２５に取り付けられたフィン２７からなる。そして、半円環状蒸発器２４Ａ,２４Ｂの上下に、それぞれ蒸気側配管７と液側配管１１とが接続されている。
【００２７】
これらの半円環状蒸発器２４Ａ,２４Ｂは次のようにして簡単に高温部２の周囲に取り付けることができる。すなわち、一対の半円環状蒸発器２４Ａ，２４Ｂを高温部２の周囲に密着させるように環状に合わせる。そして、一つ或いは複数のベルトやバンド３１を用いて周囲から締付ける。これにより、ネジ締めやかしめ不要で、環状蒸発器２４を高温部２に簡単に密着・固定できる。なお、高温部２の全周で環状蒸発器２４との接触状態を均一にするため、伝熱グリスを使用して両者を密着させることが望ましい。
【００２８】
また、上記の環状蒸発器１６,２４のフィン２０（図３参照）やフィン２７（図６参照）の表面に細かい溝や裂痕などが形成されるように、サンドブラスト加工などの加工法によって、粗化加工を施してもよい。これによって、フィン２０，２７の表面の熱伝達性が向上するとともに、フィン２０,２７の表面に生成した気泡が脱離しやすくなるため、局所の過熱現象による突沸が抑えられ、均一かつ効率的に熱を伝達することができるようになる。
【００２９】
ここで、スターリング冷凍機１の駆動により、高温部２の温度が過剰に上昇すると、放熱が不十分となりスターリング冷凍機１のCOPが低下し、あるいは耐熱性の低い部品の寿命が短くなりスターリング冷凍機１の性能が劣化しやすくなる。したがって、高温部２の温度はできるだけ低く保つのが望ましい。しかし、水（或いは水溶液）を冷媒として使用する場合、温度が低くなると、冷媒液の粘度が著しく増大し、冷媒の循環における流動抵抗が大きくなる。さらに、冷媒蒸気の蒸気圧も低下して気流の勢いが弱まってしまう。このため、冷媒の循環量が不足し、場合によっては、冷媒が循環しなくなるという課題が生じてしまう。
【００３０】
そこで、図７及び図８に示されている構造を採用することによって、この課題を解決できる。まず、図７に示しているのは、環状蒸発器１６と、２パスに構成された凝縮器３２と、環状蒸発器１６と凝縮器３２との間に介在された蒸気側配管３３、３４及び液側配管３５,３６とからなる放熱システムである。
【００３１】
環状蒸発器１６に溜まった冷媒は、スターリング冷凍機１の高温部２に生ずる熱を奪って蒸発され、環状蒸発器１６上部に設置された蒸気側配管３３と２パスに分かれた蒸気側配管３４とを通過した後、凝縮器３２に流れ込んで、環境雰囲気と熱交換を行って凝縮される。そして、凝縮した冷媒液は、２パスの液側配管３５を通過し、さらに液側配管３６を通って、環状蒸発器１６に戻される。
【００３２】
このように、冷媒の配管を凝縮器３２の前後で２パスにしたことにより、配管を流れる冷媒の流動抵抗が４分の１程度まで小さくなる。したがって、冷媒蒸気の蒸気圧が低くなり、冷媒液の粘性が増しても、冷媒の循環量が不足したり、冷媒が循環しなくなるという問題が生じない。なお、安定して冷媒蒸気を凝縮器３２に導くため、環状蒸発器１６に接続している冷媒配管３３は、その先で分岐した冷媒配管３４より太い配管を採用することが望ましい。
【００３３】
また、一対の半円環状蒸発器２４Ａ、２４Ｂと、一対の凝縮器３８Ａ、３８Ｂと、それぞれの配管３９Ａ、３９Ｂ、４０Ａ、４０Ｂとからなる放熱システムを図８に示す。ここで、第１放熱システム４１Ａと第２放熱システム４１Ｂとは同様な構成であり、その動作や性質も同じである。
【００３４】
ここで、第１放熱システム４１Ａを代表にして、放熱の動作を説明する。半円環状蒸発器２４Ａに溜まっている冷媒は、スターリング冷凍機１の高温部２で生ずる熱により蒸発され、半円環状蒸発器２４Ａの上部に設けている蒸気側配管３９Ａを上昇して凝縮器３８Ａに流入し、ここで環境雰囲気と熱交換を行って凝縮される。そして、凝縮された冷媒液は、凝縮器３８Ａに接続された液側配管４０Ａを通って、半円環状蒸発器３４Ａに戻される。
【００３５】
このように、放熱システムは２つの独立な第１，第２放熱システム４１Ａ、４１Ｂによって構成されているので、一つの放熱システムからの放熱量は半分となる。したがって、冷媒配管３９Ａ或いは３９Ｂに通過する冷媒流量も半減される。そのため、流動抵抗も４分の１程度まで小さくなり、冷媒循環量が不足したり、冷媒が循環しないという問題を解決できる。
【００３６】
また、放熱システム４１Ａと放熱システム４１Ｂがお互いに独立な構造となっているため、それぞれ異なる場所に配置することが可能である。これにより、冷却装置に組み込むレイアウトの自由度が高まる。
【００３７】
さらに、図９に示すように、凝縮器３８Ａ、３８Ｂにそれぞれ対向したファン５２Ａ、５２Ｂを設けることにより、放熱システム４１Ａと放熱システム４１Ｂとそれぞれ異なる動作をさせることも可能である。
【００３８】
例えば、出荷後の初期運転（プルダウン運転）などの出力の大きい運転を行うとき、放熱システム４１Ａと４１Ｂを同時に稼動させる。すなわち、両方のファン５２Ａとファン５２Ｂを同時に駆動して凝縮器３８Ａと凝縮器３８Ｂに送風すると、両方の凝縮器３８Ａ，３８Ｂの熱交換量が増大するため、第１、第２放熱システム４１Ａ，４１Ｂの両方が作動してそれぞれ冷媒を循環させることができる。
【００３９】
あるいは、逆に出力の少ない定常運転を行うときは、放熱システム４１Ａと４１Ｂのうち、一つだけ稼動させるような動作態様が可能となる。すなわち、片方のファン５２Ａのみを駆動して凝縮器３８Ａに送風すると、片方の凝縮器３８Ａの熱交換量が増大するため、第１放熱システム４１Ａのみが作動して冷媒を循環させることができる。これにより、放熱システムの部品寿命の延長や省エネなどのメリットが得られる。
【００４０】
図１０に、本発明のスターリング冷凍機１を使用した冷却庫５０の一例を示す。冷却庫５０の背面の上部にスターリング冷凍機１を、冷却庫５０の背面の下部に低温側蒸発器１５を、冷却庫５０の上部に高温側凝縮器４１をそれぞれ配置している。そして、低温側蒸発器１５は、冷却庫５０の庫内の冷気ダクト４２に内設され、高温側凝縮器４１は冷却庫５０の上部に設けたダクト４３に内設される。
【００４１】
スターリング冷凍機１が動作すると、上述のように高温部２（図１参照）で発生した温熱が高温側凝縮器４１を通じて空気と熱交換される。このとき、送風ファン４４によりダクト４３内の暖かい空気が冷却庫５０の庫外へ排出されるとともに、冷却庫５０の庫外の空気が取り込まれ、熱交換が促進される。
【００４２】
一方、低温部３（図１参照）で発生した冷熱は、上述のように低温側蒸発器１５を通じて冷気ダクト４２内の気流と熱交換される。このとき、冷凍空間側ファン４５と冷蔵空間側ファン４６により、低温側蒸発器１５で冷やされた冷気がそれぞれ冷凍空間４７および冷蔵空間４８に送風される。各冷却空間からの暖かくなった気流は冷機ダクト４２を通じて再び低温側蒸発器１５に送られ、繰り返し冷却される。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のスターリング機関用放熱システムは、スターリング機関の高温部の放熱を自然冷媒の蒸発・凝縮を使用して行うシステムであり、人工冷媒を一切使用しないので、環境や人体への悪影響を与えないとともに、凝縮器を蒸発器より上方に配置して、蒸発器で蒸発した冷媒蒸気を蒸発器から蒸気側配管を通って凝縮器へ上昇させるとともに、凝縮器で凝縮した冷媒液を液側配管を通って蒸発器へ自然循環させることを可能にしているので、冷媒を循環させる外部の駆動力が不要となり、省エネ効果も大きい。
【００４４】
そして、この放熱システムを構成する蒸発器として、スターリング機関の高温部の周囲に接触する環状蒸発器や半円環状蒸発器を採用することによって、熱伝導性を高めているので、熱交換効率は一層良くなる。さらに、これら蒸発器のフィン表面を粗化処理することによって、冷媒への熱伝達が促進され、フィン表面における局所過熱も抑えることができる。
【００４５】
また、環状蒸発器に接続される配管を凝縮器の前後で２パスに分岐させた構造や、一対の半円環状蒸発器のそれぞれに配管を介して凝縮器を接続するツイン放熱システム構造を用いることによって、冷媒の流動抵抗が軽減されるため、冷媒循環量不足などの問題を解決できる。特に、ツイン放熱システムでは、一対の凝縮器に対向してそれぞれファンを設け、個別にファンを駆動することにより、スターリング機関の出力に応じて各放熱システムを独立して動作させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるスターリング冷凍機の熱搬送システム図である。
【図２】 その熱搬送システムに使用される環状蒸発器の一例の正面図である。
【図３】 図２のX-X線断面図である。
【図４】 その熱搬送システムに使用される環状蒸発器の他の例の正面図である。
【図５】 その環状蒸発器の側面図である。
【図６】 図４のY-Y線断面図である。
【図７】 ２パス放熱システム図である。
【図８】 ２サイクル放熱システム図である。
【図９】 ２サイクル放熱システム図の変形例である。
【図１０】 本発明のスターリング冷却庫の側面断面図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
２ 低温部
３ 高温部
４ 高温側熱搬送サイクル
５ 低温側冷熱搬送サイクル
６ 高温側蒸発器
７ 蒸気側冷媒配管
８ 高温側凝縮器
９ 気液分離器
１１ 凝縮液側冷媒配管
１２ 低温側凝縮器
１３ 凝縮液側冷媒配管
１４ 蒸気側冷媒配管
１５ 低温側蒸発器
１６,２４ 環状蒸発器
２０，２７ フィン
３７Ａ，３７Ｂ 半円環状蒸発器
４２ 冷気ダクト
４３ ダクト
５２Ａ，５２Ｂ ファン
Claims (5)
- スターリング機関の作動媒体の圧縮過程で発生する熱を放熱するスターリング機関用放熱システムにおいて、
前記放熱システムは水や炭化水素等の自然冷媒を用いた冷凍サイクルから成り、
前記スターリング機関の高温部に取り付けられた蒸発器と、
前記蒸発器より高い位置に配置され前記自然冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを連結して冷媒を循環させる蒸気側配管と液側配管とを備え、
前記蒸発器は、前記高温部の周囲に接触して取り付けられた一対の半円環状の容器であり、それぞれ液側配管と蒸気側配管を介在して別々の凝縮器に接続することにより、一対の独立な放熱システムを構成して、前記各々の蒸発器は前記高温部の周囲に対向面が垂直面から成るように水平方向に対向して配置され、前記各々の蒸気側配管は前記垂直面に近接して前記蒸発器の上部付近に接続されることを特徴とするスターリング機関用放熱システム。 - 前記凝縮器のそれぞれに対向して個別に駆動するファンを設けたことを特徴とする請求項１に記載のスターリング機関用放熱システム。
- 前記蒸気側配管と前記液側配管を前記凝縮器の前後で複数パスに分岐させたことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のスターリング機関用放熱システム。
- さらに、前記液側配管に圧力調整弁を設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスターリング機関用放熱システム。
- 請求項１〜４のいずれかに記載のスターリング機関用放熱システムを備えたことを特徴とする冷却庫。
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