JP4945713B2

JP4945713B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP4945713B2
Application number: JP2006281489A
Authority: JP
Inventors: 和芳関; 明彦平野; 進一加賀; 幸信池本
Original assignee: Hoshizaki Electric Co Ltd
Current assignee: Hoshizaki Electric Co Ltd
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2026-10-16
Also published as: JP2008096085A

Description

この発明は、熱交換器と蒸発器との間の温度勾配を利用して、冷媒を自然循環させるサーモサイフォンを二次回路として採用した冷却装置に関するものである。

冷媒回路内に温度勾配を設けることで冷媒に密度差を形成し、密度の不均一によって重力の作用下に生じる自然対流を利用して熱伝達を行なうサーモサイフォンと呼ばれる熱輸送機構がある。このようなサーモサイフォンは、例えば冷蔵庫等の貯蔵設備や空調設備等の冷却機構として用いられている(例えば、特許文献１参照)。

図７に例示するように、サーモサイフォンを利用した冷却回路８０は、凝縮器８２と、この凝縮器８２の下方に配置した蒸発器８４と、凝縮器８２から蒸発器８４へ液化冷媒を導く液配管８６と、蒸発器８４から凝縮器８２へ気化冷媒を導くガス配管８８とから構成される。冷却回路８０では、強制的または自然冷却された凝縮器８２で気化冷媒から熱を奪って液化し、この液化冷媒を液配管８６を介して重力の作用下に蒸発器８４へ流下させる。また冷却回路８０では、蒸発器８４の周囲雰囲気から熱を奪うことで蒸発器８４に流入した液化冷媒を気化させる。そして、気化冷媒は、蒸発器８４で液化冷媒から相変化して体積が膨張することにより比重が減少するので、上方に向けて流動して、ガス配管８８を介して凝縮器８２に還流される。また、蒸発器８４では液化冷媒の蒸発により圧力が上昇する一方、凝縮器８２では気化冷媒の凝縮により圧力が降下するので、冷却回路８０には微少な圧力差が生じる。すなわち、冷却回路８０では、前述した冷媒の比重差と、蒸発器８４および凝縮器８２の間の圧力差との二種類の推進力によって冷媒が自然循環される。そして、冷却回路８０では、一方向(循環方向)へ自然対流による冷媒の循環サイクルが構築されることで、蒸発器８４で所要の冷却作用を発揮するようになっている。

ところで、前記蒸発器８４は、周囲雰囲気との接触面積をかせぐために管路を蛇行させた蒸発管８５で構成される。蒸発管８５では、比重差により上方へ流動する気化冷媒に対して作用する外力が存在しない場合、気化冷媒は圧力損失が少ない方向へ押し出される。ここで、蒸発管８５において気化冷媒が液配管８６側に向けて流動すると、液配管８６を蒸発器８４へ向けて重力落下する液化冷媒の流下方向に対し逆向きとなり、液化冷媒の流下を阻害するから、冷媒の循環速度が低下して冷却能力を低下させてしまう問題を生じる。すなわち、冷却回路８０では、冷媒の自然循環を維持するために、冷媒の循環方向と蒸発器８４における気化冷媒の流動方向を一致させる必要がある。

そこで、図７に示す如く、蒸発器８４では、液配管８６の下端に接続する蒸発管８５の流入端８５ａを、蒸発器８４の下部に配置する一方、ガス配管８８の下端に接続する蒸発管８５の流出端８５ｂを、蒸発器８４の上部に配置している。また、蒸発管８５の管路を、全体として流出端８５ｂ側に向かう上り勾配となるように形成することで、比重が低下した気化冷媒が上方に流動する作用を利用して、蒸発管８５に沿って気化冷媒を案内してガス配管８８に導くように構成される。このように、比重差を利用して気化冷媒を流動させる都合上、従来の蒸発器８４では、蒸発管８５の流出端８５ｂを流入端８５ａより上方に位置させて、管路を冷媒の循環方向前側に向けて全体として上り勾配となるように形成することが必須であると考えられていた。

前記蒸発器８４では、蒸発管８５の流入端８５ａが管路における傾斜下端となっているから、液配管８６を介して到来した液化冷媒は流入端８５ａ側に集約される。また、蒸発管８５において、蒸発管８５の流出端８５ｂ側まで自然に拡散することはなく、冷媒量の増加に伴って、液配管８６に形成されるヘッドによる押出し力により流出端８５ｂ側に冷媒が次第に満たされる。例えば、冷却回路８０の冷媒量が少ないと、蒸発管８５の流入端８５ａ側だけで液化冷媒が蒸発(ドライアウト)するから、周囲雰囲気と液化冷媒とが熱交換する範囲(伝熱面積)が狭く、蒸発器８４は充分な冷却能力を発揮することができない(図８(ａ)参照)。そこで、蒸発器８４では、蒸発管８５の流入端８５ａ側から流出端８５ｂ側まで液化冷媒が満たされるように冷却回路８０の冷媒量を設定して、流出端８５ｂ近傍でも液化冷媒を蒸発させることで、蒸発管８５の全体に亘って伝熱面積を確保するようにしている(図８(ｂ)参照)。なお、図８(ｂ)の場合の冷媒量が適正とされるが、適正量を越えて冷媒が過剰に充填されたときであっても(図８(ｃ)参照)、蒸発管８５に満たされた液化冷媒の湿り度が増大して熱伝導率が向上するから、蒸発器８４は見かけ上所要の冷却能力を発揮する。
特開２００４−８５１５１号公報

前述した蒸発器８４では、伝熱面積を確保するために蒸発管８５の流入端８５ａ側から流出端８５ｂ側に亘る全体に液化冷媒を満たす必要があり、冷却回路８０に循環させる冷媒量が多くなってしまう不都合がある。冷却回路８０を循環する冷媒量の増大に伴って、装置を停止したときの冷却回路８０の圧力が上昇するため、冷却回路８０に要求される耐圧性能が高くなるので、設備の重厚化に繋がり、コストの増大を招いていた。また、冷却回路８０に大型の膨張タンクを追加すること等により当該回路８０の内容積を増やして圧力上昇に対応することも考えられるが、設備の大型化に繋がり、これもコスト上昇の一因となる。

すなわち本発明は、従来の技術に係る冷却装置に内在する前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、回路内の冷媒量を低減し得る冷却装置を提供することを目的とする。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明の冷却装置は、
気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする熱交換部と、この熱交換部の下方に配置され、液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする蒸発器とを、液配管およびガス配管で接続し、液化冷媒を熱交換部から蒸発器へ液配管を介して流下させると共に、気化冷媒を蒸発器から熱交換部へガス配管を介して流通させる自然循環サイクルを形成し、前記蒸発器に延在する冷媒経路は、前記液配管の下端に接続する流入端を、該蒸発器の上部に配置すると共に、前記ガス配管の下端に接続する流出端を、該蒸発器の下部に配置した冷却装置において、
前記熱交換部は、複数のプレートを離間させて並列に対向配置し、対向するプレートの間に複数の冷媒流路が並列に形成され、該熱交換部の下部には、一次回路の冷媒配管に接続する一次流入路が設けられ、
前記熱交換部の上部には、一次回路の冷媒配管に接続する一次流出路が設けられ、該熱交換部の上部には、二次回路に接続する二次流入路が設けられ、該熱交換部の下部には、二次回路に接続する二次流出路が設けられ、
前記一次流入路および一次流出路が連通する１つおきの流路により一次熱交換部が構成され、
前記二次流入路および二次流出路は、前記一次流入路および一次流出路が開口する流路とは互い違いに並んだ流路に対し開口するようになっており、二次流入路および二次流出路が連通する１つおきの流路により二次熱交換部が構成され、
前記二次熱交換部では、対向するプレートの間の冷媒流路が狭小に設定されて、液相二次冷媒の粘着力や表面張力が作用して、二次回路側の冷媒流路の下部が液相二次冷媒で塞がれた液封を生じるように構成したことを特徴とする。
請求項１に係る発明によれば、蒸発器に延在する冷媒経路は、流入端を蒸発器の上部に設けると共に、流出端を蒸発器の下部に設けることで、流入端を流出端より上方に位置させた状態で、冷媒の循環方向前側に向かって落差が設けられる。すなわち、冷媒経路に流入した液化冷媒が、この落差による重力の作用下に管路に沿って流出端側へ誘導されて自然に拡散するから、伝熱面積を広く確保することができる。このように、冷媒経路に液化冷媒を満たさなくても伝熱面積を確保し得るので、二次回路内の冷媒量を低減し得る。そして、二次回路の冷媒量を低減することで、一次回路を運転停止した際の二次回路の圧力上昇を抑えることができ、二次回路に要求される耐圧性能が低くなるから、設備の重厚化を回避し得る。例えば、二次回路に膨張タンクを設ける場合であっても、膨張タンクの内容積を小さくし得るから、設備の大型化を回避できると共に、コストの上昇を最小限に抑えることができる。

本発明に係る冷却装置によれば、冷媒の循環方向前側に向かって設けた落差による重力の作用下に、流入端から冷媒経路に流入した液化冷媒が経路に沿って流出端側へ誘導されて自然に拡散するから、伝熱面積を広く確保でき、必要とされる冷媒量を低減することが可能となる。そして、二次回路の冷媒量が少なくなることで、冷却装置全体として小型化およびコストの削減を図り得る。

次に、本発明に係る冷却装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下に説明する。実施例では、店舗等の業務用途に用いられ、野菜や肉等の物品を多量に収納し得る大型の冷蔵庫を例に挙げ、この冷蔵庫を、サーモサイフォンを二次側の回路に用いた所謂二次ループ冷凍回路の冷却装置で冷却する場合について説明する。

図１に示すように、実施例に係る冷蔵庫１０は、収納室(閉鎖空間)１４を内部画成した断熱構造の箱体１２と、この箱体１２の上方に設けられ、金属パネル１８により外壁を構成したキャビネット１６とを備えている。箱体１２には、前側に開放して物品の出し入れ口となる開口部１２ａが収納室１４に連通して開設される。また箱体１２の前部には、断熱扉２２が図示しないヒンジにより回動可能に配設され、断熱扉２２を開放することで開口部１２ａを介して収納室１４に対する物品の出し入れが許容されると共に、断熱扉２２を閉成することで収納室１４を密閉し得るようになっている。

前記キャビネット１６の内部には、収納室１４を冷却するための冷却装置３２の一部および該冷却装置３２を制御する制御用電装箱Ｃが配設される機械室(開放空間)２０が画成される(図２参照)。機械室２０の底部には、箱体１２の天板１２ｂに載置されて、該機械室２０に配設する機器の共通基板となる台板(隔壁)２４が設置されている。そして、キャビネット１６の外壁をなす金属パネル１８には、機械室２０に連通する空気流通孔(図示せず)が適宜部位に開設され、この空気流通孔を介して機械室２０内の雰囲気と外気とが入替わるようになっている。

前記収納室１４の上部には、箱体１２における天板１２ｂの下面から所定間隔離間して冷却ダクト２６が配設され、この冷却ダクト２６と、箱体１２の天板１２ｂに開設した切欠口１２ｃを介して収納室１４側に臨む台板２４との間に冷却室２８が画成される。この冷却室２８は、冷却ダクト２６の底部前側に形成した吸込口２６ａおよび後側に形成した冷気吹出口２６ｂを介して収納室１４に連通して、閉鎖空間としての収納室１４の一部を構成している。吸込口２６ａには送風ファン３０が配設され、該送風ファン３０を駆動することで、吸込口２６ａから収納室１４の空気を冷却室２８に取込み、冷気吹出口２６ｂから冷却室２８の冷気が収納室１４に送出される。天板１２ｂの切欠口１２ｃは、台板２４で気密的に塞がれて、収納室１４(冷却室２８)と機械室２０とは、台板２４で区切られて互いに独立した空間となっている(図１参照)。

図３に示す如く、冷却装置３２は、冷媒を強制循環する機械圧縮式の一次回路３４と、冷媒が自然対流するサーモサイフォンからなる二次回路４４との２系統の回路を、熱交換器ＨＥを介して熱交換するように接続(カスケード接続)した二次ループ冷凍回路が採用される。熱交換器ＨＥは、一次回路３４を構成する一次熱交換部３６と、この一次熱交換部３６と別系統に形成されて、二次回路４４を構成する二次熱交換部(熱交換部)４６とを備え、熱交換器ＨＥは機械室２０の側方後側に位置して台板２４上に配設されている(図２参照)。すなわち、一次回路３４および二次回路４４には、独立した冷媒循環経路が夫々形成され、二次回路４４を循環する二次冷媒(冷媒)としては、毒性、可燃性および腐食性を有していない安全性の高い二酸化炭素が採用される。これに対し、一次回路３４を循環する一次冷媒としては、蒸発熱や飽和圧等の冷媒としての特性に優れているメタンやプロパン等のＣＨ系の冷媒またはアンモニアなどが採用され、実施例ではプロパンが用いられている。

前記一次回路３４は、気相一次冷媒を圧縮する圧縮機ＣＭと、圧縮した一次冷媒を液化する凝縮器ＣＤと、液相一次冷媒の圧力を低下させる膨張弁ＥＶと、液相一次冷媒を気化する熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６とを冷媒配管３８で接続して構成される(図３参照)。圧縮機ＣＭおよび凝縮器ＣＤは、機械室２０において台板２４上に共通的に配設され、凝縮器ＣＤを強制冷却する凝縮器ファンＦＭも、該凝縮器ＣＤに対向して台板２４上に配設されている。ここで、凝縮器ＣＤは、キャビネット１６の前面をなす金属パネル(フロントパネル)１８に近接して機械室２０の前側に配置され、該凝縮器ＣＤの後側に凝縮器ファンＦＭが配置される。また圧縮機ＣＭは、凝縮器ファンＦＭの後側に配置される(図２参照)。このように機械室２０では、凝縮器ＣＤ,凝縮器ファンＦＭおよび圧縮機ＣＭが、機械室２０において凝縮器ファンＦＭにより生起される空気の流通方向に沿って一直線上に並んで配設される。すなわち、凝縮器ファンＦＭの駆動によりフロントパネル１８に開設した空気流通孔から外気が機械室２０に取込まれ、この外気が機械室２０の前側から後側に流通して凝縮器ＣＤおよび圧縮機ＣＭと熱交換するようになっている。一次回路３４では、圧縮機ＣＭによる一次冷媒の圧縮により、圧縮機ＣＭ、凝縮器ＣＤ、膨張弁ＥＶ、熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６および圧縮機ＣＭの順に、一次冷媒が強制循環され、各機器の作用下に一次熱交換部３６において所要の冷却を行なうようになっている(図３参照)。なお、前述した制御用電装箱Ｃは、機械室２０において凝縮器ファンＦＭによる空気の流れを阻害しない位置(実施例では機械室２０の側部)で台板２４上に配設されている。

前記二次回路４４は、気相二次冷媒(気化冷媒)を液化する熱交換器ＨＥの二次熱交換部４６と、液相二次冷媒(液化冷媒)を気化する蒸発器ＥＰとを備えている(図３参照)。また、二次回路４４は、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとを接続する配管として、二次熱交換部４６から蒸発器ＥＰへ重力の作用下に液相二次冷媒を導く液配管４８と、蒸発器ＥＰから二次熱交換部４６へ気相二次冷媒を導くガス配管５０とを有している。前述した如く、二次回路４４の二次熱交換部４６は、機械室２０に配設される一方、蒸発器ＥＰは、当該機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設され、台板２４を挟んで二次熱交換部４６より下方に蒸発器ＥＰが配置される。ここで蒸発器ＥＰは、台板２４の下面に固定されて、台板２４と一体的に取扱い可能とされる。なお、蒸発器ＥＰの下方に位置する冷却ダクト２６は、蒸発器ＥＰから滴下する除霜水等を受容する露受皿としても機能する。

前記液配管４８は、上端を二次熱交換部４６の下部に接続して台板２４を貫通して配管され、冷却室２８に臨む下端が蒸発器ＥＰに接続される。ガス配管５０は、上端を二次熱交換部４６の上部に接続して台板２４を貫通して配管され、冷却室２８に臨む下端が蒸発器ＥＰに接続される。そして、二次回路４４には、強制冷却される一次熱交換部３６との熱交換により冷却される二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの間に温度勾配が形成され、二次冷媒が二次熱交換部４６、液配管４８、蒸発器ＥＰおよびガス配管５０を自然循環して二次熱交換部４６に再び戻る冷媒循環サイクルが形成される。なお、液配管４８およびガス配管５０における台板２４の貫通部位は、シール等により気密的に封止されている。

前記二次回路４４は、二次冷媒として常温では液化しない二酸化炭素を採用しているので、冷却装置３２の停止時に二次冷媒の圧力上昇を抑制するための膨張タンク５４を備えている(図３参照)。この膨張タンク５４は、ガス配管５０の途中に接続され、膨張タンク５４に、蒸発器ＥＰにおいて熱伝達に関わる二次冷媒以外に、ある程度の二次冷媒が貯留される。また、膨張タンク５４は、機械室２０において圧縮機ＣＭの後側に、凝縮器ＣＤおよび凝縮器ファンＦＭと前後方向に並んで台板２４上に配置される。すなわち、膨張タンク５４は、凝縮器ファンＦＭにより生起される空気の流通方向前側であって、凝縮器ＣＤおよび圧縮機ＣＭからの排熱の流通経路に位置している(図２参照)。

前記蒸発器ＥＰは、管路を蛇行させた蒸発管(冷媒経路)５２を有し、液配管４８の下端に接続する蒸発管５２の流入端５２ａが、蒸発器ＥＰの上部に配置されると共に、ガス配管５０の下端に接続する蒸発管５２の流出端５２ｂが、蒸発器ＥＰの下部に配置されている(図３参照)。蒸発器ＥＰでは、蒸発管５２の流入端５２ａが流出端５２ｂより上方に位置するように構成される。また蒸発管５２の管路は、流入端５２ａと流出端５２ｂとの上下位置の間で延在して、蒸発管５２に流入した液相二次冷媒を、管路に沿って重力の作用下に流出端５２ｂ側まで拡散させるように導くようになっている。より具体的には、蒸発管５２は、傾斜する直線部分が上下の関係で葛折り状態で折り重なると共に、屈曲部分が横方向に離間した蛇行形状に管路が形成され、この管路が流入端５２ａ側から流出端５２ｂ側に向かうにつれて下り勾配となるよう構成されている。

図４に示すように、熱交換器ＨＥとしては、所謂プレート式の熱交換器が採用される。熱交換器ＨＥは、上下方向に延在する複数のプレート６０を所要間隔離間して並列に対向配置し、対向するプレート６０,６０の間に、冷媒が流通する複数の流路６０ａ,６０ｂが並列に形成される。熱交換器ＨＥの下部には、一次回路３４における膨張弁ＥＶに連通した冷媒配管３８に接続する一次流入路６４が設けられ、熱交換器ＨＥの上部には、一次回路３４における圧縮機ＣＭに連通した冷媒配管３８に接続する一次流出路６６が設けられる。更に、熱交換器ＨＥの上部には、二次回路４４のガス配管５０に接続する二次流入路６８が設けられ、熱交換器ＨＥの下部には、二次回路４４の液配管４８に接続する二次流出路７０が設けられる。

前記一次流入路６４は、熱交換器ＨＥにおいて横方向に並列する複数の流路６０ａに対して１つおきに開口すると共に、一次流出路６６は、一次流入路６４が開口する流路６０ａに対応して開口するように形成される。そして、一次流入路６４および一次流出路６６が連通する１つおきの流路６０ａにより一次熱交換部３６が構成され、圧縮機ＣＭの負圧作用下に、一次熱交換部３６を構成する各流路６０ａを下方から上方へ向けて一次冷媒が流通される。一方、二次流入路６８および二次流出路７０は、前述した一次流入路６４および一次流出路６６が開口する流路６０ａとは互い違いに並んだ流路６０ｂに対し開口するようになっている(図４参照)。二次流入路６８および二次流出路７０が連通する１つおきの流路６０ｂにより二次熱交換部４６が構成され、重力の作用下に二次熱交換部４６を構成する各流路６０ｂを上方から下方へ向けて二次冷媒が流通される。すなわち、熱交換器ＨＥでは、並列する流路６０ａ,６０ｂに一次冷媒および二次冷媒を交互に流通させて、各プレート６０を介して一次冷媒と二次冷媒とを熱交換するよう構成される。なお、熱交換器ＨＥは、断熱材５８で外周を覆われ、一次熱交換部３６を流通する一次冷媒と、二次熱交換部４６を流通する二次冷媒との熱交換の促進が図られている(図４参照)。

前記二次熱交換部４６では、対向するプレート６０,６０の間の流路６０ｂが、例えば１ｍｍ程度の狭小な関係に設定されて、液相二次冷媒の粘着力や表面張力等が作用して、二次回路４４側の流路６０ｂの下部が液相二次冷媒で塞がれる所謂液封が生じるように構成されている(図４参照)。実施例では、二次熱交換部４６の各流路６０ｂに生じる液封部６２が、気相二次冷媒に対する抵抗部となる。

前記二次回路４４では、蒸発器ＥＰにおける蒸発管５２の流入端５２ａから流入した液相二次冷媒が、管路に案内されて蒸発管５２の流出端５２ｂ近傍に到達し得る量であって、飽和状態の液相二次冷媒が当該流出端５２ｂ近傍でも蒸発する程度に、二次冷媒量が規定される(図５参照)。なお、二次冷媒量は、必要とされる冷却能力、二次回路４４の容量、二次冷媒の循環速度またはその他の要素を勘案して適宜設定される。

〔実施例の作用〕
次に、実施例に係る冷却装置の作用について説明する。冷却装置３２では、冷却運転を開始すると、一次回路３４および二次回路４４の夫々で冷媒の循環が開始される。先ず、一次回路３４について説明すると、圧縮機ＣＤおよび凝縮器ファンＦＭが駆動され、圧縮機ＣＭで気相一次冷媒が圧縮されて、この一次冷媒を冷媒配管３８を介して凝縮器ＣＤに供給して、凝縮器ファンＦＭによる強制冷却により凝縮液化することで液相とする。液相一次冷媒は、膨張手段ＥＶで減圧され、熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６において二次熱交換部４６を流通する二次冷媒から熱を奪って(吸熱)一挙に膨張気化する。このように一次回路３４は、熱交換器ＨＥにおいて、一次熱交換部３６により二次熱交換部４６を強制冷却するように機能している。そして、一次熱交換部３６で蒸発した気相一次冷媒は、冷媒配管３８を経て圧縮機ＣＭに帰還する強制循環サイクルを繰返す。

前記二次回路４４では、二次熱交換部４６が一次熱交換部３６により冷却されているから、二次熱交換部４６で気相二次冷媒が放熱して凝縮し、気相から液相に状態変化することで比重が増加することから、重力の作用下に二次熱交換部４６の各流路６０ｂに沿って液相二次冷媒が流下する。二次回路４４では、二次熱交換部４６を機械室２０に配置する一方、蒸発器ＥＰを機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設することで、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの間に落差を設けてある。すなわち、液相二次冷媒を、二次熱交換部４６の下部に接続した液配管４８を介して、蒸発器ＥＰへ向けて重力の作用下に自然流下させることができる。液相二次冷媒は、蒸発器ＥＰの蒸発管５２を流通する過程で該蒸発器ＥＰの周囲雰囲気から熱を奪って蒸発して気相に移行する。気相二次冷媒は、ガス配管５０を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４６へ還流し、二次回路４４ではポンプやモータ等の動力を用いることなく、簡単な構成で二次冷媒が自然循環するサイクルが繰返される。

前記送風ファン３０により吸込口２６ａから冷却室２８に吸引された収納室１４の空気を、冷却された蒸発器ＥＰに吹付けることで、蒸発器ＥＰと熱交換した空気が冷気となる。そして冷気を、冷却室２８から冷気吹出口４０を介して収納室１４に送出することで、収納室１４が冷却される。冷気は、収納室１４の内部を循環して、吸込口２６ａを介して再び冷却室２８内に戻るサイクルを反復する。

ここで、蒸発器ＥＰでの二次冷媒の挙動について更に説明する。蒸発器ＥＰに延在する蒸発管５２は、流入端５２ａを蒸発器ＥＰの上部に設けると共に、流出端５２ｂを蒸発器ＥＰの下部に設けることで、流入端５２ａを流出端５２ｂより上方に位置させて、流入端５２ａと流出端５２ｂとの間に落差が設けられる。しかも、蒸発管５２は、流出端５２ｂと流入端５２ａとの間において、直線部分が上下の関係で折り重なった蛇行形状とすると共に、流入端５２ａ側から流出端５２ｂ側に向かうにつれて下方傾斜するように管路を形成している。すなわち、蒸発管５２は、全体として二次回路における二次冷媒の循環方向前側に向けて下り勾配となっているから、流入端５２ａから蒸発管５２に流入した液相二次冷媒を、重力の作用下に管路に沿って流出端５２ｂ側に誘導しつつ蒸発させることができる。従って、蒸発器ＥＰにおいて、蒸発管５２の流入端５２ａ近傍で液相二次冷媒が留まって当該流入端５２ａ近傍で優先的に蒸発するのではなく、二次冷媒が管路に沿って流出端５２ｂ側に自然に拡散するから、伝熱面積を広く確保することができる。

前記蒸発管５２を流通する液相二次冷媒の流速が遅い場合に、二次冷媒は蒸発管５２の管底に集約された状態で流通する(図６(ａ)参照)。この場合、蒸発管５２を流通する二次冷媒は、該蒸発管５２の内底部としか接触していないので、伝熱面積が狭くなる難点がある。しかるに、実施例の蒸発管５２における管路は二次冷媒の循環方向前側に傾いているから、蒸発管５２の流入端５２ａ近傍では二次冷媒の流速が遅いために、管底に集約された状態での流れが優先的に現われるものの、流出端５２ｂ側に向かうにつれて二次冷媒の流速が次第に速くなる。これにより、蒸発管５２には、液相二次冷媒が蒸発管５２の内面全体に亘って環状に流通する環状流が優先的に現われる(図６(ｂ)参照)。従って、液相二次冷媒が蒸発管５２の全周に接触するから、伝熱面積をより広く確保することが可能である。更に、蒸発管５２が傾斜しているので、除霜水等の蒸発管５２から滴下する水を流出端５２ｂに集約して滴下させることができる。

前記蒸発器ＥＰでは、液相二次冷媒が蒸発管５２の流出端５２ｂ近傍に到達して、飽和状態の液相二次冷媒が流出端５２ｂ近傍でも蒸発するように、二次回路４４の二次冷媒量が規定される(図５参照)。このとき、蒸発器ＥＰにおいて、液相二次冷媒は蒸発管５２の管路に沿って自然に流下するから、液相二次冷媒で蒸発管５２を満たさなくても、二次冷媒を蒸発管５２の流出端近傍まで到達させることができる。すなわち、二次回路４４において、必要とされる二次冷媒量を少なくすることができる。

例えば、二次冷媒量が極端に少ない場合は、液相二次冷媒が蒸発管５２の流出端５２ｂ近傍に至る前に蒸発してしまうから、蒸発器ＥＰ全体として冷却作用を得られず、所要の冷却能力を発揮することができない。また、二次冷媒量が過剰な場合は、蒸発管５２全体に液相二次冷媒が満たされ、ガス配管５０に気相二次冷媒の流通を妨げるヘッドが発生するため、気相二次冷媒が蒸発管５２に滞留する。このとき、蒸発管５２では、ガス配管５０のヘッドによって気相二次冷媒の循環が滞る局面と、蒸発管５２における内圧の上昇によって、ガス配管５０に形成されたヘッドが急激に押し上げられて、一時的に気相二次冷媒の循環が再開する局面とが繰返される。気相二次冷媒の循環が滞っている局面においては、気相二次冷媒の循環が正常になされている局面に比べて、蒸発管５２に気相二次冷媒が多く滞留することで、熱伝導率の大きな液相二次冷媒による伝熱面積が減少するから、蒸発器ＥＰの冷却能力が低下してしまう。このように、蒸発器ＥＰにおける二次冷媒が過剰な場合に生ずる冷却能力の低下は、ガス配管５０のヘッドによる冷媒循環量の減少と、蒸発管５２における滞留する気相二次冷媒の増加による熱伝導率の減少とが、主な原因である。すなわち、蒸発器ＥＰは、二次冷媒量が少なくても多くても所要の冷却能力を得ることができず、適正な量の二次冷媒を充填することが肝要とされる。実施例に係る蒸発器ＥＰの構成によれば、二次冷媒の適正量は、蒸発管５２を流下しつつ蒸発する液相二次冷媒における蒸発位置の最下部(蒸発管５２の流出端５２ｂ近傍)との関係で一義的に決定される極値を有し、容易に求めることができる。

前記蒸発器ＥＰの蒸発管５２において、液相二次冷媒が蒸発して得られた気相二次冷媒は体積膨張により比重が減少するから、上方へ向けて流動する。蒸発管５２は、流入端５２ａ側が流出端５２ｂ側に比べて高くなっているので、気相二次冷媒は、流入端５２ａ側に逆流しようとする。しかし、二次熱交換部４６における各流路６０ａの下部に、液相二次冷媒による液封部６２が形成されるから、流動が妨げられた気相二次冷媒は蒸発管５２に滞留し、蒸発管５２内部の内圧を上昇させる。蒸発管５２における内圧の上昇に伴い、蒸発管５２内部の冷媒は唯一の圧力開放部である流出端５２ｂに向かって押し出されるように内力が働く。すなわち、気相二次冷媒は、蒸発器ＥＰからガス配管５０に向けて押し出されるから、蒸発管５２の管路形状に抗して、二次回路４４における正常な循環方向へ自然循環させることができる。ここで、液封部６２では、気相二次冷媒の流通を阻むものの、液封部６２の上方で凝縮して流下する液相二次冷媒は、液封部６２を順次形成すると共に、液封部６２を形成していた液相二次冷媒が重力の作用下に順次流下する。よって、液相二次冷媒の流通を、液封部６２が阻害することはない。

前記二次熱交換部４６では、気相二次冷媒が一次熱交換部３６との熱交換により凝縮して、体積が減少することで該二次熱交換部４６の内部の圧力が低下するから、ガス配管５０に二次熱交換部４６へ向かう吸引力が作用している。前述した如く、蒸発管５２には、液相二次冷媒が全体に満たされる構成ではなく、蒸発管５２の流出端５２ｂおよびガス配管５０が液相二次冷媒で封止されず開放しているから、ガス配管５０にかかる吸引力を蒸発管５２に対しても作用させることができる。よって、二次熱交換部４６による吸引力を有効に利用して、気相二次冷媒を二次熱交換部４６に還流させることができる。

前記冷却装置３２における運転開始初期の段階では、二次熱交換部４６に液封部６２が形成されていない場合がある。この場合、蒸発器ＥＰで蒸発した気相二次冷媒に対して、循環方向に外力が加わっていないから、液配管４８を介して二次熱交換部４６の下部に気相二次冷媒が逆流することも考えられる。ここで、液配管４８を介して二次熱交換部４６の下部に到来した気相二次冷媒は、一次熱交換部３６により二次熱交換部４６が既に冷却されているから、二次熱交換部４６における各流路６０ｂの下部で直ちに液化する。そして、この液相二次冷媒および正常な循環により二次熱交換部４６で液化して流下してきた液相二次冷媒により、液封部６２が二次熱交換部４６における流路６０ｂの下部に形成される。この液封部６２により気相二次冷媒の逆流が阻まれると共に、気相二次冷媒に対し循環方向に向けて外力が働くから、気相二次冷媒は二次回路４４において正常な循環方向へ循環される。

前記二次回路４４によれば、液相二次冷媒が重力の作用下に蒸発管５２を循環方向前側へ自然流下する構成であるから、少量の二次冷媒で広く伝熱面積を確保することができる。すなわち、二次回路４４の二次冷媒量を低減し得るから、二次回路４４自体を小型化することが可能となる。また、二次冷媒量が少なくなることで、冷却装置３２を長期間に亘って停止する際に要する圧力最大値を低く抑えることができるので、二次回路４４に求められる耐圧強度を低く設定することが可能となり、コストダウンを図り得ると共に設計の自由度を向上し得る。特に、二次冷媒として実施例の二酸化炭素の如く常温で蒸発するものを用いる場合は、二次回路４４における内部圧力の最大値を低く抑えることができる。また、膨張タンク５４の容量も削減でき、膨張タンク５４の小型化、機械室２０のスペースの有効活用およびコストダウンを図り得る。更に、既設設備であっても、熱交換器ＨＥとしてプレート式熱交換器を用いていれば、実施例に係る蒸発器ＥＰとするだけで、実施例の蒸発器ＥＰによる二次冷媒の充填量の削減等の前述した優れた作用を享受し得る。なお、前述した如く二次冷媒の最大圧力値を抑制し得るので、ガス配管５０に圧力逃がし弁(図示せず)を設ける場合であっても、圧力逃がし弁の設定値を低くし得る。

前記冷却装置３２は、一次回路３４と二次回路４４とを熱交換器ＨＥで接続し、この熱交換器ＨＥにおいて、一次回路３４の一次冷媒と二次回路４４の二次冷媒とが蒸発および凝縮作用下に熱交換を行なう。すなわち、顕熱のみによる熱交換と比べて、非常に高い熱伝達率を持つので、一次回路３４と二次回路４４との間の伝熱面積を小さくすることができる。また、一次冷媒および二次冷媒は共に、潜熱により熱の輸送を行なうため、比較的少量で、多くの熱量を伝達することができるから、熱交換器ＨＥにおける熱交換量を低下させる事なく、一次回路３４および二次回路４４の内容積を小さくする事が可能となる。従って、一次回路３４の一次冷媒量および二次回路４４の二次冷媒量を何れも低減でき、コストダウンや、一次回路３４および二次回路４４の小型化による冷却装置３２の省スペース化を図り得る。

前記一次回路３４に必要とされる一次冷媒量が少ないから、法令等で規定された冷媒の使用上限量を回避することができ、一次冷媒として使用する冷媒の種類についての選択肢の幅が広がる。また機械室２０は、凝縮器ＣＤおよび圧縮機ＣＭを空冷する都合上、空気が入替えられる開放された空間とされる。このような機械室２０に一次回路３４を配設してあるから、一次冷媒が万が一漏出したとしても、機械室２０に留まるおそれはない。また、機械室２０は、台板２４により閉鎖空間である収納室１４と気密的に区切られているから、漏出した一次冷媒が収納室１４に流入することはなく、収納室１４に収納した物品に由来するアンモニアや硫化水素等の腐食性ガスが、機械室２０に流入することもない。しかも、冷却装置３２を一次回路３４と二次回路４４との二次ループで構成することで、二次回路４４の冷却能力が高くなるから、蒸発熱や飽和圧等の冷媒としての特性に劣るものの、安全性に優れている二酸化炭素等を二次冷媒として選択することが可能となる。すなわち、二次回路４４では、蒸発器ＥＰが収納室１４(冷却室２８)に臨むが、例えば二次冷媒が収納室１４に漏出したとしても、使用者に対する安全を担保し得る。

前記冷却装置３２は、一次回路３４の圧縮機ＣＭ、凝縮器ＣＤ、凝縮器ファンＦＭおよび熱交換器ＨＥと、二次回路４４の蒸発器ＥＰおよび膨張タンク５４とを台板２４に共通的に配設する構成であるから、台板２４を介して冷却装置３２全体を一体的に取扱うことができる。すなわち、冷却装置３２を冷蔵庫１０に対して一体的に取付けまたは取外しを行なうことができ、メンテナンス性に優れ、修理等の保守作業も行ない易い。

前記一次回路３４および二次回路４４は、熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６と二次熱交換部４６とで熱的に接続されているが、冷媒の循環経路として互いに独立している。冷却装置３２を停止(圧縮機ＣＭ：停止)した際に、一次回路３４には凝縮器ＣＤから高温の液相一次冷媒が一次熱交換部３６に流入する。これにより熱交換器ＨＥは昇温されるものの、二次回路４４は独立しているから、蒸発器ＥＰは昇温されることはなく、冷却装置３２を停止した際の収納室１４の温度上昇が緩やかになる。すなわち、冷却装置３２により収納室１４を所要の設定温度まで冷却することで、冷却装置３２を停止した後、冷却装置３２を再度駆動するまでの時間を長くすることができる。よって、冷却装置３２の稼働率が低下するので、消費電力量の削減に繋がる。

前記膨張タンク５４は、機械室２０において凝縮器ＣＤ、凝縮器ファンＦＭおよび圧縮機ＣＤと一直線上であって、凝縮器ファンＦＭによる空気流通方向の前側に配置される。このため、凝縮器ファンＦＭの駆動によりキャビネット１６の前側から機械室２０に取込んで凝縮器ＣＤおよび圧縮機ＣＭと熱交換して昇温した空気が、膨張タンク５４に吹付けられるから、膨張タンク５４は、一次回路３４の排熱を利用して昇温される。ここで、膨張タンク５４に滞留する二次冷媒の量は、圧力および温度に応じて変化する値であり、この圧力は、一次回路３４において運転条件等で規定される蒸発温度に依存するので変化させることができない。そこで、膨張タンク５４を一次回路３４の排熱により昇温することで、膨張タンク５４内の二次冷媒密度が低下するので、膨張タンク５４に滞留する二次冷媒の量を減少させることができる。膨張タンク５４に滞留する二次冷媒の量を減少させると、二次回路４４における二次冷媒量を低減できるメリットがある。

(変更例)
本発明は、実施例の構成に限定されず、以下の如く変更することも可能である。
(１)蒸発器の蒸発管としては、外周に半径方向へ延出するフィンを設けた所謂フィンチューブや、外周に半径方向へ延出するフィンを螺旋状に設けた所謂スパイラルフィンチューブを採用してもよい。また、蒸発管の管路としては、流入端で複数(２系統)の系統に分岐されて、これら複数系統の分岐蒸発管が、循環方向前側に向けて下り勾配となるように蛇行状に延在し、流出端で再びまとめられる構成も採用し得る。
(２)実施例では、蒸発管の管路を流入端側から流出端側に向かうにつれて下方傾斜するように形成したが、全体として流出端側への重力作用下に液化冷媒を拡散し得るのであれば、管路の一部に流出端側に向けて上方傾斜する部位あるいは水平に延在する部位を設けてもよい。
(３)実施例の蒸発管は、流入端と流出端との上下位置の間で延在するように管路を形成したが、少なくとも流出端より上方に延在させればよい。
(４)実施例では、気相二次冷媒の逆流を防ぐ手段として、プレート式熱交換器における二次熱交換部の流路に形成される液封部を利用したが、これに限定されず、熱交換器の内部における液配管との接続部近傍から液配管の間に、気相二次冷媒に対し流通抵抗となる抗力を設ければよい。例えば、熱交換器の内底部または液配管の途中に液相二次冷媒を貯留する構成として、この貯留部に溜る二次冷媒のヘッド(水頭)を抵抗部としてもよい。更には、液配管に流れ抵抗が大きくなる手段や、絞り部あるいはトラップ等を設ける配管形状としたり、あるいは液配管に介挿した逆止弁等も抵抗部として用いることができる。これら種々の態様の抵抗部を単体で用いるだけでなく、実施例および変更例の構成を組合わせて抵抗部として機能させてもよい。
(５)実施例に係るサーモサイフォンは、空調設備等の冷却回路にも適用可能である。
(６)実施例の蒸発器は、蒸発管が延在する構成であるが、箱体の内部を壁で区切ることで冷媒経路を形成したタイプの蒸発管であってもよい。

(７)実施例では、機械室に配設する機器の共通基板となる台板により、機械室と収納室との間で空気の流通がないように収納室と機械室とを区切る構成であるが、機械室と収納室とを箱体の天板で区切る構成であってもよい。
(８)実施例では、冷蔵庫の冷却装置として本願発明に係るサーモサイフォンを採用する場合について説明したが、冷凍庫、冷凍・冷蔵庫、ショーケースおよびプレハブ庫等の所謂貯蔵庫に対しても適用し得る。

(９)実施例では、冷却装置の一次回路として機械圧縮式の冷凍回路を採用したが、吸収式やその他の冷凍回路も採用することができる。
(１０)実施例の熱交換器として、一次回路の第１熱交換部と二次回路の第２熱交換部と備えたプレート式熱交換器を用いたが、第１熱交換部と第２熱交換部とを別体で構成したり、他の方式の熱交換器であってもよい。
(１１)実施例では、一次回路において液化冷媒を減圧する手段として膨張弁を用いたが、これに限られず、キャピラリーチューブまたはその他の減圧手段を採用し得る。

本発明の好適な実施例に係る冷却装置により冷却される冷蔵庫を示す側断面図である。実施例の冷蔵庫における機械室を示す平断面図である。実施例の冷却装置を示す概略回路図である。実施例の熱交換器を示す側断面図である。実施例の蒸発器を示す模式図である。実施例の蒸発管の断面図であって、(ａ)は図３のＡ−Ａ線断面を示し、(ｂ)は図３のＢ−Ｂ線断面を示す。従来のサーモサイフォンを示す概略回路図である。従来のサーモサイフォンにおける蒸発器を示す模式図であって、(ａ)は冷媒量が少ない場合を示し、(ｂ)は冷媒量が適正である場合を示し、(ｃ)は冷媒量が過剰である場合を示す。

符号の説明

１４収納室(閉鎖空間)，２０機械室(開放空間)，２４台板(隔壁)，３４一次回路
４４二次回路，４６二次熱交換部(熱交換部)，４８液配管，５０ガス配管
５２蒸発管(冷媒経路)，５２ａ流入端，５２ｂ流出端，５４膨張タンク
６２液封部(抵抗部,液封された部位)，ＥＰ蒸発器

Claims

気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする熱交換部(46)と、この熱交換部(46)の下方に配置され、液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする蒸発器(EP)とを、液配管(48)およびガス配管(50)で接続し、液化冷媒を熱交換部(46)から蒸発器(EP)へ液配管(48)を介して流下させると共に、気化冷媒を蒸発器(EP)から熱交換部(46)へガス配管(50)を介して流通させる自然循環サイクルを形成し、前記蒸発器(EP)に延在する冷媒経路(52)は、前記液配管(48)の下端に接続する流入端(52a)を、該蒸発器(EP)の上部に配置すると共に、前記ガス配管(50)の下端に接続する流出端(52b)を、該蒸発器(EP)の下部に配置した冷却装置において、
前記熱交換部(46)は、複数のプレート(60)を離間させて並列に対向配置し、対向するプレート(60,60)の間に複数の冷媒流路(60a,60b)が並列に形成され、該熱交換部(46)の下部には、一次回路(34)の冷媒配管(38)に接続する一次流入路(64)が設けられ、
前記熱交換部(46)の上部には、一次回路(34)の冷媒配管(38)に接続する一次流出路(66)が設けられ、該熱交換部(46)の上部には、二次回路(44)に接続する二次流入路(68)が設けられ、該熱交換部(46)の下部には、二次回路(44)に接続する二次流出路(70)が設けられ、
前記一次流入路(64)および一次流出路(66)が連通する１つおきの流路(60a)により一次熱交換部(36)が構成され、
前記二次流入路(68)および二次流出路(70)は、前記一次流入路(64)および一次流出路(66)が開口する流路(60a)とは互い違いに並んだ流路(60b)に対し開口するようになっており、二次流入路(68)および二次流出路(70)が連通する１つおきの流路(60b)により二次熱交換部(46)が構成され、
前記二次熱交換部(46)では、対向するプレート(60,60)の間の冷媒流路(60b)が狭小に設定されて、液相二次冷媒の粘着力や表面張力が作用して、二次回路(44)側の冷媒流路(60b)の下部が液相二次冷媒で塞がれた液封を生じるように構成した
ことを特徴とする冷却装置。