JP4010906B2 - スターリング冷熱供給システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機を用いて発生した冷熱を冷熱利用機器に供給できるようにしたスターリング冷熱供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スターリング冷凍機は、小型化が可能であり、成績係数や冷凍効率が高く、発生する温度域が低くできる特徴を持つと共に、近年の地球環境問題におけるフロン代替が容易である特徴を持っている。
【０００３】
このため冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式クーラー等の業務用又は家庭用の冷熱利用機器を始めとして、低温液循環器、低温恒温器、恒温槽、ヒートショック試験装置、凍結乾燥機、温度特性試験装置、血液・細胞保存装置、コールドクーラ、各種の計測装置等における冷熱供給源としての利用が検討されている。
【０００４】
図１０は、このようなスターリング冷熱供給システム１００の概略構成を示す回路図で、スターリング冷凍機１１０、冷却水装置１２０、熱搬送装置１３０により構成されて、スターリング冷凍機１１０で発生した冷熱を冷熱利用機器１０１に供給するようになっている。
【０００５】
なお、冷熱供給能力を高めるために、同じ構成のスターリング冷凍機が２台直列に設けられ、また冷却水装置も２台設けられている。
【０００６】
スターリング冷凍機１１０は、図１１に示すように、圧縮ピストン１１１が圧縮シリンダ１１２内を往復運動することにより、これらの間で形成される圧縮空間１１３内の作動ガスを圧縮する圧縮部１１４、膨張ピストン１１５が膨張シリンダ１１６内を往復運動することにより、これらの間で形成される膨張空間１１７内の作動ガスを膨張させる膨張部１１８、圧縮空間１１３と膨張空間１１７とを連通させるガス流路Ｓに設けられた蓄熱部１１９等を有している。
【０００７】
そして、モータ１０９が駆動されてクランク機構１０８が回転動力を往復動力に変換し、この往復動力により圧縮ピストン１１１や膨張ピストン１１５が往復運動して、作動ガスを圧縮／膨張する。
【０００８】
圧縮された作動ガスはガス流路Ｓを通り、蓄熱部１１９で蓄熱して膨張空間１１７に移動し、ここで膨張することにより冷熱が発生する。
【０００９】
この冷熱により膨張部１１８の頭部に設けられたコールドヘッド１３１が冷却される。このコールドヘッド１３１には２次冷媒が循環しているので、この２次冷媒は冷却されて温度が下がる。
【００１０】
膨張部１１８で膨張した作動ガスは、蓄熱部１１９を通り圧縮部１１４へと戻り、１サイクルが終了する。
【００１１】
なお、膨張ピストン１１５は圧縮ピストン１１１に対して略９０度位相が進んで運動する。
【００１２】
熱搬送装置１３０は、２次冷媒がコールドヘッド１３１と冷熱利用機器１０１とを接続するように形成された２次冷媒回路を循環できるように圧送する２次冷媒ポンプ１３２、２次冷媒回路を循環している２次冷媒量の流量を調整するタンク１３３、冷熱利用機器１０１から戻ってきた２次冷媒の気液分離を行う気液分離器１３４、２次冷媒回路における圧力変動を吸収する圧力調整ベローズ１３５等を有している。
【００１３】
気液分離器１３４は、冷熱利用機器１０１から戻る配管に接続された概略逆Ｕ字状の気液分離管１３６、一端がこの気液分離管１３６の頂部近傍に接続され、他端がタンク１３３の上部空間に連通するように接続された気体回収管１３７等を有している。
【００１４】
そして、冷熱利用機器１０１に冷熱を供給して戻ってきた２次冷媒が、気液分離管１３６の接続箇所を通過する際に、気体の２次冷媒がこの気液分離管１３６内を上昇することにより気液分離が行なわれる。この気液分離が行われた気体の２次冷媒は、気体回収管１３７を介してタンク１３３に貯留される。
【００１５】
なお、冷熱利用機器１０１に冷熱を供給することにより２次冷媒は温度変化し、これに伴い体積変動が生じる。
【００１６】
熱搬送装置１３０は、クローズドサイクルであるため、２次冷媒の体積変動は２次冷媒回路における圧力変動となり、この圧力変動を緩和するために圧力調整ベローズ１３５が設けられている。
【００１７】
即ち、圧力が高くなると当該圧力調整ベローズ１３５は伸張し、逆に圧力が低くなると縮小する。これにより２次冷媒回路内は、略一定の圧力状態が維持できるようになっている。
【００１８】
ところで、作動ガスが圧縮部１１４で圧縮されると温度上昇するが、そのまま蓄熱部１１９を介して膨張部１１８に移動するようにすると冷熱発生効率が低下してしまう。
【００１９】
そこで、当該圧縮部１１４から蓄熱部１１９に至る間のガス流路Ｓ中に冷却水装置１２０が設けられて、ここを流動する作動ガスが冷却されるようになっている。
【００２０】
この冷却水装置１２０は、作動ガスと冷却水とを熱交換させる図示しない作動ガス側熱交換器、冷却水と大気とを熱交換させるラジエタ１２１、作動ガス側熱交換器とラジエタ１２１との間で冷却水を循環させる冷却水ポンプ１２２を有している。
【００２１】
ラジエタ１２１は、図１２に示すような構成で、平行部分１２３と曲部分１２４とを多数持つ連続した液管１２５と、平行部分１２３に挿嵌された多数のフィン１２６とを主要構成としている。
【００２２】
そして、液管１２５内を冷却水が流動することにより、冷却水がフィン１２６を介して大気と熱交換して放熱する。
【００２３】
これにより作動ガスが冷却され、その熱が大気に放熱されて、冷熱発生効率の向上が図られている。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、気液分離管１３６と配管との２つの接続点間での圧力損失が大きいような場合には、液体の２次冷媒が気体の２次冷媒と共に当該気液分離管１３６を上昇して、該気液分離管１３６に接続されている気体回収管１３７に流れ込んでしまうことがあり、かかる場合に当該気体回収管１３７に取付けられた圧力調整ベローズ１３５に液体の２次冷媒が侵入して、圧力調整機能を阻害させてしまう問題があった。
【００２５】
そこで、本発明は、液体の２次冷媒が気体の２次冷媒と共に気液分離管を上昇するような場合が発生しても、圧力調整ベローズに液体の２次冷媒が侵入しないようにして、信頼性を向上させたスターリング冷熱供給システムを提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、作動ガスを圧縮する圧縮部と、圧縮された作動ガスを膨張させる膨張部との間を作動ガスを行き来させて、前記膨張部で２次冷媒の冷却を行うスターリング冷凍機を有すると共に、該スターリング冷凍機と冷熱利用機器との間を２次冷媒を循環させて、当該スターリング冷凍機で発生した冷熱を冷熱利用機器に搬送する熱搬送装置を有するスターリング冷熱供給システムにおいて、循環する２次冷媒量を調整するタンクと、冷熱利用機器からスターリング冷凍機に戻る２次冷媒が気液混合状態にある場合に、気液分離して気体の２次冷媒をタンクに導き、液体の２次冷媒を２次冷媒回路に戻す気液分離器と、タンクの上部と連通されて、該タンク内の圧力が所定の圧力以上になった場合に開弁する安全バルブと、タンクの上部と安全バルブとを連通する配管に接続されて、２次冷媒回路の圧力変動によりタンク内の圧力変動が生じた場合には、伸縮して当該圧力変動を吸収して２次冷媒回路の圧力を一定に保つ圧力調整ベローズとを備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項２にかかる発明は、安全バルブ及び圧力調整ベローズが、内部に貫通孔を備える汎用品の角ブロックに装着され、当該角ブロックがタンクの上部空間と配管接続されていることを特徴とする。
【００２８】
請求項３にかかる発明は、気液分離器が、垂直に設けられると共に、下端が冷熱利用機器からスターリング冷凍機に戻る配管とＴ字管により接続されて、２次冷媒が当該配管との接続点を流動する際に気体の２次冷媒が上昇することにより気液分離を行う概略逆Ｕ字状の気液分離管と、一端が該気液分離管の頂部近傍に接続され、他端がタンクの上部空間と連通するように接続されて、気液分離された気体の２次冷媒をタンクに導く気体回収管とを有することを特徴とする。
【００２９】
請求項４にかかる発明は、気体回収管がタンクに接続される高さ位置に対して、当該気体回収管が気液分離管に接続される高さ位置の方が低い位置になるように設定されていることを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本発明に係るスターリング冷熱供給システム１の斜視図であり、図２はその内部を示す斜視図である。
【００３１】
また、図３は、スターリング冷熱供給システム１の回路図を示している。このスターリング冷熱供給システム１は、冷熱を発生する２台のスターリング冷凍機４、該スターリング冷凍機４における作動ガスと熱交換して、その熱を大気に放熱する冷却水装置５、２次冷媒（例えば、ＨＦＥ：ハイドロフロロエーテル）をスターリング冷凍機４と冷熱利用機器３との間で循環させて、スターリング冷凍機４で発生した冷熱を冷熱利用機器３に供給する熱搬送装置６、冷熱利用機器３から要求される冷熱量が供給できるように、スターリング冷熱供給システム１全体を制御する図示しない制御装置、これらを収納する筐体８等を主要構成としている。
【００３２】
なお、図２においては制御装置ケース７のみが図示され、制御装置の具体的構成は図示省略している。
【００３３】
スターリング冷凍機４は、一定の能力で運転され、必要とされる冷熱量に応じた断続運転が行われる。
【００３４】
このため、冷熱利用機器３での熱負荷変動や必要とされる冷熱量の変動等に速やかに対応するためには、大量の冷熱が供給できる大型のスターリング冷凍機を用いる必要がある。
【００３５】
しかし、大型のスターリング冷凍機にすると大幅なコストアップになると共に、スターリング冷凍機は断続運転の場合であっても運転中は常に一定の能力で運転されるため、必要とする冷熱量が少なくなった場合には大幅な余剰冷熱が発生してしまい、経済性が悪くなってしまう。
【００３６】
そこで、小型のスターリング冷凍機４を複数台用いて、必要な冷熱量に応じて運転することが考えられる。
【００３７】
このとき、２次冷媒を複数台のスターリング冷凍機４に対して直列に循環させる方法と、並列に循環させる方法が考えられる。
【００３８】
並列に循環させる方法では、２次冷媒は各スターリング冷凍機４に分流して循環するので、この２次冷媒の循環量を増やすことができる反面、２次冷媒の温度降下率は１台のスターリング冷凍機４による場合と略同じとなる。
【００３９】
また、先に述べたように、スターリング冷凍機４は、運転、停止を繰返すことにより供給冷熱量を制御するため、並列に循環させる場合には全てのスターリング冷凍機４を同時に運転、停止させなければ効率的に冷熱供給ができなくなってしまう。
【００４０】
同時運転すると、大きな冷熱発生能力で２次冷媒を冷却することになるので、運転停止の間隔が短くなってしまい、制御部品に対する負荷（例えば、電源スイッチのオン・オフ回数等）が多くなり、信頼性の高い部品が要求されコストアップの要因となる。
【００４１】
これに対して、直列に循環させる方法では、２次冷媒が複数台のスターリング冷凍機４を順次循環するため、２次冷媒の循環量を増大させることは困難である反面、この２次冷媒の温度降下率を大きくすることが可能となる。
【００４２】
また、個別にスターリン冷凍機４の運転停止制御を行うことが可能なため、運転停止の間隔を長くすることができ、安価な部品の採用によりコストダウンが可能となる利点がある。
【００４３】
このような観点から、本発明では、２台又は２台以上のスターリング冷凍機４を直列に接続した構成を採用している。
【００４４】
なお、２台以上のスターリング冷凍機４を用いる場合には、これらを特に区別する必要があるときは、第１スターリング冷凍機４ａ、第２スターリング冷凍機４ｂ等のように記載し、区別する必要がないときは単にスターリング冷凍機４と記載する。
【００４５】
スターリング冷凍機４は、図４に示すように、モータ１１の回転動力を往復動力に変換するクランク部１２、圧縮ピストン１４が圧縮シリンダ１５内を往復運動することによりこれらの間で形成される圧縮空間１６内の作動ガスを圧縮する圧縮部１７、膨張ピストン１８が膨張シリンダ１９内を往復運動することによりこれらの間で形成される膨張空間２０内の作動ガスを膨張させる膨張部２１、圧縮空間１６と膨張空間２０とを連通させるガス流路Ｓに設けられた金属メッシュシート等からなる蓄熱部２２等を有している。
【００４６】
スターリング冷凍機４における、クランク部１２は内部がクランク室２３をなすクランクハウジング２４に収納され、モータ軸２５と連結されたクランク２６、一端がクランク２６に連結されたコネクティングロッド２７、該コネクティングロッド２７の他端に連結されたクロスガイドヘッド２８、該クロスガイドヘッド２８の運動方向を１方向に規制するクロスガイドライナ２９等により形成されている。
【００４７】
これにより、モータ１１の回転動力がクランク部１２で往復動力に変換されて、圧縮ピストン１４、膨張ピストン１８が往復運動する。
【００４８】
なお、膨張ピストン１８は圧縮ピストン１４に対して位相が略９０度進んで運動する。
【００４９】
また、圧縮ピストン１４や膨張ピストン１８は、ピストンロッド３０を介してクロスガイドヘッド２８と連結され、このピストンロッド３０に一端が密着して固着されると共に、他端が固定プレート３６に密着して固着されたオイルシールベローズ３７が設けられている。
【００５０】
このオイルシールベローズ３７は、ピストンロッド３０の往復運動に伴い伸縮する金属製のベローズで、圧縮ピストン１４や膨張ピストン１８側の空間とクロスガイドヘッド２８側の空間とを気密に区画している。
【００５１】
これにより、クロスガイドヘッド２８等を潤滑するオイル３８が圧縮ピストン１４や膨張ピストン１８に付着し、これが圧縮空間１６や膨張空間２０に侵入することによる冷凍効率の低下を防止している。
【００５２】
また、このオイルシールベローズ３７により、当該オイルシールベローズ３７と圧縮ピストン１４や膨張ピストン１８とで挟まれる空間（以下、背圧室という）３９は、気密状態になる。
【００５３】
このため圧縮ピストン１４や膨張ピストン１８が往復運動すると、背圧室３９の雰囲気が圧縮膨張するようになり、この圧縮膨張に要するエネルギーがモータ負荷となって、冷熱発生効率を低下させてしまう。
【００５４】
そこで、背圧室３９とクランク室２３とをベローズ４０を介して連結させたバッファタンク４１が設けられている。
【００５５】
また、圧縮空間１６を覆うように、または圧縮空間１６と蓄熱部２２とを連通するガス流路Ｓを取巻くように作動ガス側熱交換器３５が設けられて、冷却水が循環するようになっている。
【００５６】
このような構成のスターリング冷凍機４において、圧縮ピストン１４が下死点から上死点に移動すると、圧縮空間１６内の作動ガスが圧縮される。この間、膨張ピストン１８は上動して上死点に達した後、下動するようになる。
【００５７】
圧縮ピストン１４の上動に伴い圧縮された作動ガスは、ガス流路Ｓを流動して膨張部２１側に送られ、膨張ピストン１８が下動すると作動ガスは蓄熱部２２を通過して膨張空間２０に送られる。
【００５８】
作動ガスが蓄熱部２２を通過する際には、その熱がこの蓄熱部２２に蓄熱される。
【００５９】
膨張ピストン１８が下死点に達するに従い、圧縮ピストン１４は上死点から下死点に移動し、作動ガスは膨張する。
【００６０】
このときの膨張過程は等温膨張過程であるため、膨張に伴う吸熱が膨張空間２０の頂部に設けられたコールドヘッド４５を介して行われ、この結果コールドヘッド４５の温度が下がり冷熱が発生する。このコールドヘッド４５には、後述するように２次冷媒が熱接触して循環しているので、発生した冷熱により２次冷媒が冷却されることになる。
【００６１】
圧縮ピストン１４が下死点に近づくに従い、膨張ピストン１８は上動を始め、作動ガスはガス流路Ｓを経て蓄熱部２２で熱交換して圧縮空間１６に戻る。
【００６２】
このようなサイクルを１サイクルとして運転されて、コールドヘッド４５の冷熱は冷熱利用機器３に利用される。
【００６３】
熱搬送装置６は、冷熱と２次冷媒とを熱交換させる冷熱源側熱交換器を備え、この冷熱源側熱交換器は上述したコールドヘッド４５により形成されている。以下、コールドヘッド４５を冷熱源側熱交換器４５と記載する。
【００６４】
また、熱搬送装置６は、２次冷媒を冷熱利用機器３に循環させる２次冷媒ポンプ４６、循環する２次冷媒量を調整するタンク４７、冷熱利用機器３側から戻ってきた２次冷媒の気液分離を行い液体のみが２次冷媒ポンプ４６に戻るようにする気液分離器４８、冷熱利用機器３で冷熱を供給することにより生じる２次冷媒回路での圧力変化を吸収する圧力調整ベローズ４９等を有している。
【００６５】
そして、２次冷媒は、第２冷熱源側熱交換器４５ｂ、第１冷熱源側熱交換器４５ａ、冷熱利用機器３、２次冷媒ポンプ４６を循環する。
【００６６】
気液分離器４８は、冷熱利用機器３から戻ってきた気液混合状態の２次冷媒を気液分離するもので、冷熱利用機器３と２次冷媒ポンプ４６との間の配管５２に立設して設けられた気液分離管４４、液体の２次冷媒を２次冷媒回路に戻す液体戻管５０、気液分離された気体の２次冷媒をタンク４７に導く気体回収管５１等により形成されている。
【００６７】
なお、気液分離管４４と液体戻管５０とは連通して、概略逆Ｕ字状をなし、その頂部近傍に気体回収管５１が接続されている。
【００６８】
これにより気液混合状態の２次冷媒が流動して２次冷媒ポンプ４６に戻る際に、気体の２次冷媒が気液分離管４４内を上昇することにより気液分離が行われる。この気体の２次冷媒は、気体回収管５１を介してタンク４７に回収される。
【００６９】
気液分離が行われた結果、２次冷媒ポンプ４６には液体の２次冷媒のみが戻るので、当該２次冷媒ポンプ４６でのエアー噛み等の不都合が防止できるようになる。
【００７０】
なお、気液分離器４８内を上昇した気体の２次冷媒は、気体回収管５１を介してタンク４７に回収されるが、当該タンク４７内の温度が凝縮温度より低い場合には凝縮してタンク４７に貯留される。
【００７１】
無論、気体の２次冷媒が気液分離器４８内を上昇している際に、凝縮して液化したり、微少の液体の２次冷媒が気体の２次冷媒と共に上昇することもある。かかる凝縮した２次冷媒や液体の２次冷媒は、気液分離器４８内や液体戻管５０を滴下して２次冷媒回路に戻る。
【００７２】
タンク４７には、当該タンク４７に貯留されている２次冷媒量を黙視して確認するためのレベル計５４が設けられると共に、当該２次冷媒量が所定量になったことを複数のレベルで検出できるように複数のレベルセンサ５５が設けられている。
【００７３】
また、タンク４７の上部空間は圧力調整ベローズ４９、安全バルブ５７、タンクベント５８、２次冷媒注入バルブ５９とが連通して接続されている。
【００７４】
圧力調整ベローズ４９は伸縮することにより、気体回収管５１、気液分離管４４等を介して２次冷媒回路の圧力調整を行なうものであり、安全バルブ５７はタンク４７の内圧が所定圧以上になると開弁することにより、タンク４７の内圧が異常圧にならないようにするものである。
【００７５】
タンクベント５８はタンク４７を強制開放できるようにするものであり、２次冷媒注入バルブ５９は２次冷媒を注入する際に開弁して用いるものである。
【００７６】
圧力調整ベローズ４９、安全バルブ５７、タンクベント５８、２次冷媒注入バルブ５９は、図５、図６に示すような内部に貫通孔７７が設けられた金属製の汎用品である角ブロック６０に装着されて、当該角ブロック６０がタンク４７の上部に配置されている。
【００７７】
なお、気体になった２次冷媒がタンク４７に回収されたり、リークが発生したりして２次冷媒回路を循環する２次冷媒量が不足する場合があり、また逆に何らかの原因で循環する２次冷媒量が過剰になったりすることが危惧される。
【００７８】
そこで、液体の２次冷媒が貯留されているタンク４７の底部側には、液補充管６１及び液回収管６２が設けられている。
【００７９】
液補充管６１は、液体戻管５０に接続され、その間に液補充バルブ６３が設けられて、当該液補充バルブ６３を開くことにより２次冷媒回路に液体の２次冷媒を補充することができるようになっている。
【００８０】
また、液回収管６２は２次冷媒ポンプ４６と第２スターリング冷凍機４との間の配管に接続されて、その間に液回収バルブ６４が設けられている。
【００８１】
これにより、２次冷媒回路を循環する２次冷媒量が過剰になった場合には、当該液回収バルブ６４を開いて２次冷媒ポンプ４６から圧送された２次冷媒の一部をタンク４７に導くことにより２次冷媒量が調整できるようになっている。
【００８２】
ところで、圧力調整ベローズ４９は、２次冷媒が冷熱利用機器３で冷熱を与えること（２次冷媒の温度上昇）等により生じる２次冷媒回路内の圧力変動に応じて伸縮することで、当該２次冷媒回路内の圧力変動を吸収するもので、この圧力調整ベローズ４９に液体の２次冷媒が入流すると、その機能が失われてしまう。
【００８３】
しかし、従来の構成においては、圧力調整ベローズ１３５が気体回収管１３７に設けられているため液体の２次冷媒が入流してしまう場合があった。
【００８４】
即ち、気体回収管１３７は、原則として気体の２次冷媒のみが流動するように設計されている。
【００８５】
しかし、冷熱利用機器３と２次冷媒ポンプ４６との間の配管に接続されている気液分離管４４の接続点と液体戻管５０の接続点との間に大きな圧力損失が発生するような場合には（例えば、循環する２次冷媒量が多くなった場合等）、気液分離管４４に気液混合した２次冷媒が流入し、液体の２次冷媒が気体回収管５１を介してタンク４７に流入する状況が生じる。
【００８６】
この様な状況下では、従来のように気体回収管１３７に圧力調整ベローズ１３５が設けられていると、液体の２次冷媒が気体回収管１３７を介してタンク１３３に流入する際に当該圧力調整ベローズ１３５にも流入してしまう不都合が発生する。
【００８７】
このため気液分離器４８の接続点と液体戻管５０の接続点とを近接させることにより、これらの間で大きな圧力損失が発生しないように、配管の取付方法や接続点位置を工夫していた。
【００８８】
しかし、かかる配管の取付方法や接続点位置の要件を満たすようにすると、配管を複雑な経路で取付しなければならない場合が生じて組立作業が複雑になったり、保守点検時におけるスペースが確保し難くなるためスターリング冷熱供給システム１の小型化を十分に図ることができなくなったりする問題がある。
【００８９】
そこで、本発明では、液体の２次冷媒が気体回収管５１を介してタンク４７に流入しても、圧力調整ベローズ４９に流入しなければよいので、当該圧力調整ベローズ４９をタンク４７の上部空間と連通して設けられた角ブロック６０に取付けている。
【００９０】
また、タンク４７と気体回収管５１との取付け位置が、液体戻管５０と気体回収管５１との取付け位置より高い位置になるように勾配を付けて取付けている。このため、例え液体の２次冷媒が気体回収管５１を介してタンク４７に流入しようとしても、その勾配によりこれを抑制することが可能になっている。
【００９１】
このような構成により、配管の取付方法や接続点位置を考える際には、気液分離管４４の接続点と液体戻管５０の接続点との間の圧力損失を考慮する必要がなくなり、スターリング冷熱供給システム１の小型化や保守作業の容易性に重点を置いた設計が行えるようになる。
【００９２】
また、気液分離器４８の接続点と液体戻管５０の接続点とが任意に設定できるようになるため、接続管としてＴ字管のような汎用品を用いることが可能になり、コストダウンを図ることが可能になる。
【００９３】
スターリング冷凍機４で作動ガスを圧縮すると、作動ガスは温度上昇し、この温度上昇した状態で蓄熱部２２を介して膨張部２１に送ると冷熱発生効率が低下する。このため作動ガスの熱を大気に放熱して膨張部２１に移送すべく冷却水装置５が設けられている。
【００９４】
この冷却水装置５は、スターリング冷凍機４における圧縮空間１６と蓄熱部２２との間のガス流路Ｓを取巻くようにして冷却水路が形成されて作動ガスと冷却水とを熱交換させる作動ガス側熱交換器３５、該作動ガス側熱交換器３５で熱交換した冷却水を大気と熱交換させる大気側熱交換器であるラジエタ６５、ラジエタ６５に大気を送風して冷却水と大気との熱交換効率を向上させる送風機６６、冷却水を作動ガス側熱交換器３５とラジエタ６５との間を循環させる冷却水ポンプ６７等により構成されている。
【００９５】
なお、作動ガス側熱交換器３５、ラジエタ６５、送風機６６はそれぞれ２台用いられているが、冷却水ポンプ６７は１台しか設けられていない。
【００９６】
スターリング冷凍機４が２台設けられ、それらを区別する場合には第１スターリング冷凍機４ａ、第２スターリング冷凍機４ｂと記載することにしたので、これに対応して作動ガス側熱交換器３５、ラジエタ６５、送風機６６も必要に応じて第１作動ガス側熱交換器３５ａ、第２作動ガス側熱交換器３５ｂ、第１ラジエタ６５ａ、第２ラジエタ６５ｂ、第１送風機６６ａ、第２送風機６６ｂのように第１、第２を付けて記載する。
【００９７】
冷却水回路は、冷却水の循環方向に従い、冷却水ポンプ６７、第１ラジエタ６５ａ、第１作動ガス側熱交換器３５ａ、第２ラジエタ６５ｂ、第２作動ガス側熱交換器３５ｂが環状に接続されて、ラジエタ６５、作動ガス側熱交換器３５を順次交互に流動するように直列に接続されている。
【００９８】
なお、ラジエタ６５を２台のスターリング冷凍機４に対応させて２台設けたのは以下の理由からである。
【００９９】
即ち、先に述べたように、第２スターリング冷凍機４で冷熱を吸収した２次冷媒は、第１スターリング冷凍機４に供給されて、当該第１スターリング冷凍機４で更に冷熱を吸収して冷熱利用機器３に供給される。
【０１００】
従って、第２スターリング冷凍機４におけるよりも第１スターリング冷凍機４における方が、スターリング冷凍機４の到達温度に近い温度領域で動作することになる。
【０１０１】
この意味からラジエタ６５を１台用い、最初に第１作動ガス側熱交換器３５ａに供給し、その次に第２作動ガス側熱交換器３５ｂに循環するようにしても、原理的には所望される冷熱供給が可能になる。
【０１０２】
しかし、このためには大きなラジエタ６５を用いたり、新たな原理に基づくラジエタ６５を開発する等により、ラジエタ６５における放熱効率を向上させる必要があり、大幅なコストアップの要因となる。
【０１０３】
そこで、本発明は、既存のフィン型熱交換器による小型のラジエタを用いてコストアップを抑制しながら効率的な放熱が行えるように、ラジエタ６５をそれぞれスターリング冷凍機４に対応させて設けている。
【０１０４】
また、冷却水ポンプ６７をラジエタ６５に対応させて２台用いることも可能である。
【０１０５】
しかし、この場合には、冷却水ポンプ６７を２台にすると大幅な設置面積の増大が生じ、またポンプ能力の大きな冷却水ポンプを１台用いる方が２台用いるよりも安価になる。
【０１０６】
そこで、本発明では、１台の冷却水ポンプ６７とすることで、コストダウン及びスターリング冷熱供給システム１の小型化を図っている。
【０１０７】
図７はラジエタの構成を示す図で、図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は正面図、図７（ｃ）は側面図である。
【０１０８】
このラジエタ６５は、冷却水入口をなす入口管６８、冷却水出口をなす出口管６９、該出口管６９に接続されて、当該ラジエタ６５内の冷却水を抜く際に用いられるドレイン７０、冷却水と大気との熱交換を行う３枚の並設されたラジエタパネル７１から構成されている。
【０１０９】
また、各ラジエタパネル７１は、上部及び下部に横置配置されて、それぞれ入口管６８及び出口管６９と接続された上部ヘッダ７２及び下部ヘッダ７３、該上部ヘッダ７２と下部ヘッダ７３との間に多数接続された銅管等からなる液管７５、各ラジエタパネル７１における液管７５の全てに嵌合して設けられたアルミニウム板等からなるフィン７６、各ラジエタパネル７１における液管７５に固着されて、これら３枚のラジエタパネル７１を一体に保持すると共にフィン７６の保護を兼ねた管板７７等を有している。
【０１１０】
なお、各ラジエタパネル７１における液管７５は、図８に模式的に示すように等間隔に列設されると共に、隣接するラジエタパネル７１の液管７５が、互いの液管７５の間に位置するように設置位相をずらして設けられている。
【０１１１】
これは、冷却水と熱交換する大気が、各ラジエタパネル７１の液管７５で蛇行しながら流れるようにすることで、放熱効率を向上させるためである。
【０１１２】
また、液管７５はロウ付け等によ上部ヘッダ７２，下部ヘッダ７３に固着されるが、その際の固着作業性を向上させるために作業スペースを確保する作用もある。
【０１１３】
なお、上部ヘッダ７２，下部ヘッダ７３として円管や角管を用いることが可能であるが、本発明では円管を用いている。
【０１１４】
これは液管７５を上部ヘッダ７２，下部ヘッダ７３に固着する際の固着技術と関連して選択されたもので、ロウ付け等の熱を利用する固着方法を採用した場合には、当該熱により熱応力が発生し、角管の場合には円管の場合より大きな熱変形が発生してしまう不都合があるためである。
【０１１５】
従って、圧着等の熱応力の発生しない固着技術を用いるならば、角管を用いることも可能である。
【０１１６】
冷却水回路には、当該冷却水回路に冷却水を注水する際に用いられる冷却水注水バルブ７８、冷却水を注水する際に開くことにより冷却水回路中のエアーの抜道を形成する複数のエアー抜バルブ７９、冷却水回路中の冷却水を排水するときに開かれる複数の排水バルブ８０等を有している。
【０１１７】
なお、冷却水装置５は図３に示すような構成であるが、これを配管の高低差に注目して示したのが図９で、スターリング冷凍機４、ラジエタ６５、冷却水ポンプ６７における入口側と出口側等の配管位置に高低差があることがわかる。
【０１１８】
このように、配管位置に高低差があるため、後述するように、エアー抜バルブ７９や排水バルブ８０を複数設けている。
【０１１９】
複数設けられた排水バルブ８０の内の１つは、冷却水回路の最下点の位置に設けられている。以下、この排水バルブ８０を主排水バルブ８１という。
【０１２０】
また、他の排水バルブ８０は、スターリング冷凍機４とラジエタ６５との間に形成されるような、配管が「Ｕ」字状の形態をなす部分の最下点に取付けられている。本明細書では、この排水バルブ８０を副排水バルブ８２といい、この副排水バルブ８２が取付けられている配管位置の高さを極小点という。
【０１２１】
エアー抜バルブ７９は、複数のエアー抜管８５に設けられており、当該エアー抜管８５はスターリング冷凍機４とラジエタ６５との間等に形成される配管が「逆Ｕ」字状の形態をなす部分の最上点に取付けられている。このような最上点を極大点という。
【０１２２】
冷却水注水バルブ７８は、冷却水ポンプ６７の注水口８６や主排水バルブ８１と連通して接続された冷却水注水管８７の最上点に設けられている。この最上点は、冷却水回路における最上点でもある。
【０１２３】
そして、冷却水回路に冷却水を注水する際には、冷却水注水バルブ７８及びエアー抜バルブ７９を開き、冷却水注水バルブ７８から冷却水を注水する。
【０１２４】
従来は、このような注水専用の冷却水注水バルブ７８が設けられていないため、冷却水は排水バルブ８０から注水していた。
【０１２５】
しかし、当該排水バルブ８０は冷却水回路で低い位置に設けられているため、ポンプ等の加圧手段が必要になり、当該加圧手段をその都度準備する不便さがあった。
【０１２６】
これに対し本発明では、冷却水注水バルブ７８が冷却水回路における最上位点に設けられているので、冷却水は重力の作用により流下し、当該冷却水回路に何らの加圧を行うことなく注水することが可能となる。
【０１２７】
なお、冷却水回路に冷却水を注水する際には、冷却水回路中のエアーを抜く必要があるが、図９に示すように極大点や極小点が多数存在し、かつ、その管路も長く、複雑に曲っている部分が多数あるため、エアー残りが発生し易い。
【０１２８】
そこで、本発明では、極大点の位置にエアー抜管８５を設けて、エアー抜きが容易、かつ、略完全に行えるようにしている。
【０１２９】
また、ラジエタ６５の液管１２５が図１２に示すように、平行部分１２３と曲部分１２４とを多数持つ連続した蛇行管であると、平行部分１２３が水平線に対して傾いた状態で据付けられた場合には、抜残ったエアーがこの平行部分１２３に貯まってしまい、以下のような不都合が発生する。
【０１３０】
即ち、この平行部分１２３にはフィン１２６が挿嵌されて、冷却水と大気との熱交換を行っている。
【０１３１】
従って、当該部分にエアーが貯まると大気との熱交換効率が著しく低下して、冷却水の放熱効率の低下、結局は冷熱発生効率の低下を招いてしまう。
【０１３２】
そこで、本発明では、図７等に示したように、液管７５を複数に分割し、かつ、それぞれを垂直に延設しているため、例えラジエタ６５が多少傾いた状態で据付けられても、抜け残ったエアーが液管７５に貯まることがなく冷却水の放熱効率の低下、冷熱発生効率の低下を防止することが可能になる。
【０１３３】
なお、エアーは完全に抜くことが好ましいが、配管内壁に付着したりして、冷却水注水時には完全に抜き去ることができないエアーが発生する。
【０１３４】
このようなこの抜け残ったエアーは、冷却水が循環するに従って移動しながら纏ったりして、例えば冷却水ポンプ６７のエアー噛みを起したり、異音の発生を起したりする要因となる。
【０１３５】
しかし、本発明では冷却水注水管８７やエアー抜管８５が、極大点や冷却水ポンプ６７より高い位置に、かつ、上に延びた状態で取付られているので、抜け残ったエアーが冷却水の循環に伴い流動していると、極大点や冷却水ポンプ６７を通過する際に冷却水注水管８７やエアー抜管８５に貯まるようになる。
【０１３６】
従って、冷却水ポンプ６７のエアー噛みを起したり、異音の発生を起したりすることが防止できるようになる。
【０１３７】
また、冷却水注水管８７やエアー抜管８５を管内が透けて見える透明、半透明管により形成されているので、エアーがこれらの管に一杯になる前に、エアー抜バルブ７９を開くことが可能になると共に、冷却水回路中に何らかの原因で漏水が発生して冷却水不足が発生しても容易に、漏水発生の有無や冷却水の不足の有無が判断できるようになる。
【０１３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１にかかる発明によれば、圧力調整ベローズをタンクの上部と安全バルブとを連通する配管に接続したので、液体の２次冷媒が気液分離器を介してタンクに流入しても、圧力調整ベローズに流入することが無くなり安定した圧力調整が行えるようになる。
【０１３９】
請求項２にかかる発明によれば、安全バルブ及び圧力調整ベローズを汎用品の角ブロックに装着して取付けるようにしたので、コストダウンが図られる。
【０１４０】
請求項３にかかる発明によれば、気液分離器が垂直に設けられると共に、下端が冷熱利用機器からスターリング冷凍機に戻る配管とＴ字管により接続されて、２次冷媒が当該配管との接続点を流動する際に気体の２次冷媒が上昇することにより気液分離を行う概略逆Ｕ字状の気液分離管と、一端が該気液分離管の頂部近傍に接続され、他端がタンクの上部空間と連通するように接続されて、気液分離された気体の２次冷媒をタンクに導く気体回収管とにより構成したので、気液分離器の接続が安価な汎用品のＴ字管を用いて行えるようになりコストダウンが可能になる。
【０１４１】
請求項４にかかる発明によれば、気体回収管がタンクに接続される高さ位置に対して、当該気体回収管が気液分離管に接続される高さ位置の方が低い位置になるように設定したので、例え液体の２次冷媒が気体回収管を介してタンクに流入しようとしても、その勾配により流入できなくなり、気液分離精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明に適用されるスターリング冷熱供給システムの斜視図である。
【図２】スターリング冷熱供給システムの側板等を取外した際の斜視図である。
【図３】スターリング冷熱供給システムの回路図である。
【図４】スターリング冷凍機の構成図である。
【図５】角ブロックの斜視図である。
【図６】角ブロックの取付状態を示す図である。
【図７】ラジエタの構成を示す図である。
【図８】ラジエタの液管配置構成等を示す図である。
【図９】冷却水回路の模式図である。
【図１０】従来の技術の説明に適用されるスターリング冷熱供給システムの回路図である。
【図１１】従来の技術の説明に適用されるスターリング冷凍機の構成図である。
【図１２】従来の技術の説明に適用されるラジエタの構成図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷熱供給システム
３ 冷熱利用機器
４ スターリング冷凍機
５ 冷却水装置
６ 熱搬送装置
７ 制御装置
４４ 気液分離管
４５（４５ａ，４５ｂ） 冷熱源側熱交換器
４６ ２次冷媒ポンプ
４７ タンク
４８ 気液分離器
４９ 圧力調整ベローズ
５０ 液体戻管
５１ 気体回収管
５７ 安全バルブ
５８ タンクベント
５９ ２次冷媒注入バルブ
６０ 角ブロック
６１ 液補充管
６２ 液回収管
６３ 液補充バルブ
６４ 液回収バルブ

Claims (4)

1. 作動ガスを圧縮する圧縮部と、圧縮された作動ガスを膨張させる膨張部との間を作動ガスを行き来させて、前記膨張部で２次冷媒の冷却を行うスターリング冷凍機を有すると共に、該スターリング冷凍機と冷熱利用機器との間を２次冷媒を循環させて、当該スターリング冷凍機で発生した冷熱を冷熱利用機器に搬送する熱搬送装置を有するスターリング冷熱供給システムにおいて、
   循環する２次冷媒量を調整するタンクと、
   前記冷熱利用機器から前記スターリング冷凍機に戻る２次冷媒が気液混合状態にある場合に、気液分離して気体の２次冷媒を前記タンクに導き、液体の２次冷媒を２次冷媒回路に戻す気液分離器と、
   前記タンクの上部と連通されて、該タンク内の圧力が所定の圧力以上になった場合に開弁する安全バルブと、
   前記タンクの上部と前記安全バルブとを連通する配管に接続されて、２次冷媒回路の圧力変動により前記タンク内の圧力変動が生じた場合には、伸縮して当該圧力変動を吸収して当該２次冷媒回路の圧力を一定に保つ圧力調整ベローズとを備えることを特徴とするスターリング冷熱供給システム。
2. 前記安全バルブ及び前記圧力調整ベローズが、内部に貫通孔を備える汎用品の角ブロックに装着され、当該角ブロックが前記タンクの上部空間と配管接続されていることを特徴とする請求項１記載のスターリング冷熱供給システム。
3. 前記気液分離器が、垂直に設けられると共に、下端が冷熱利用機器から前記スターリング冷凍機に戻る配管とＴ字管により接続されて、２次冷媒が当該配管との接続点を流動する際に気体の２次冷媒が上昇することにより気液分離を行う概略逆Ｕ字状の気液分離管と、
   一端が該気液分離管の頂部近傍に接続され、他端が前記タンクの上部空間と連通するように接続されて、気液分離された気体の２次冷媒をタンクに導く気体回収管とを有することを特徴とする請求項１又は２記載のスターリング冷熱供給システム。
4. 前記気体回収管が前記タンクに接続される高さ位置に対して、当該気体回収管が前記気液分離管に接続される高さ位置の方が低い位置になるように設定されていることを特徴とする請求項３記載のスターリング冷熱供給システム。

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