JP5018014B2 - 冷却装置 - Google Patents
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Description
そのような背景において、近年、スターリング冷凍機が注目されている。スターリング冷凍機は、外部に圧縮機や凝縮器等を備えていない自己冷却型の冷凍機であり、内部のガスを往復圧縮機で圧縮、膨張させることで、低温の冷熱部と、高温の高熱部とを発生するものである。ここに、ガスとしては、ヘリウムガス等の自然冷媒が用いられており、フロン系ガスを用いないので、スターリング冷凍機は地球環境に優しいものである。
しかしながら、スターリング冷凍機は、ガスの圧縮及び膨張による冷凍効果を利用するものであるため、圧縮・膨張空間の構造に制約があり、冷熱発生部の面積が僅かな部分に限られるという特質を有する。
(1)サーモサイフォンは、重力を利用して冷媒を循環させるため、スターリング冷凍機と蒸発器との間に所定の高さの差を必要とする。そのため、庫内より下方に突設させた冷却容器に収納される蒸発器は、機械室内での配置上の制約により、下方に長い構成となり、庫内との間を循環する空気の流路がU字状となるため、冷却する空気が蒸発器の上部側を中心に流れるいわゆるショートカットを起こす。
(2)また、サーモサイフォンを利用した熱交換器では、下部に液冷媒が滞留し、前述のように下部に流れる空気が少ないために液冷媒が滞留している熱交換器の伝熱管との直接熱交換が行われず熱交換効率が低下をする。
請求項2に係る発明の冷却装置は、請求項1において、前記冷熱移送手段と前記蒸発器との熱移送がサーモサイフォンにより構成されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項2に係る冷却装置によれば、冷熱移送手段と蒸発器との熱移送がサーモサイフォンにより構成されているので、蒸発器の下部に滞留している液冷媒を収納している伝熱管に庫内の循環空気が直接衝突する結果、熱伝達効率が促進し、効率的に商品を冷却することができる。
図1〜図6は、本発明に係る実施の形態を説明した図である。図1は本発明に係る実施例1を示す自動販売機の全体図の斜視図であり、図2は図1に示した自動販売機の断面側面図である。図3は図1で示された自動販売機の商品収納庫底部を上方から見た断面図であり、図4は図1で示された自動販売機の機械室内の平面図である。図5は冷却容器の詳細を説明する断面図であり、図6は加熱運転時における図1に示した自動販売機の断面側面図である。
これら図1〜図6において、自動販売機は、前面が開口した直方状の断熱体として形成された本体キャビネット10と、その前面に設けられた外扉20および内扉30と、本体キャビネット10の内部を上下2段に底板11にて区画形成し、上部を例えば2つの断熱仕切板41によって仕切られた3つの独立した商品収納庫40a、40b、40cと、下部に商品収納庫40a、40b、40cを冷却する冷却ユニット60を収納する機械室50と、商品収納庫40a、40b、40cと機械室50を跨いで商品収納庫40a、40b、40c内の冷却もしくは加熱された空気を循環させる空気循環手段80と、外扉20の内側に配設され、商品収納庫40a、40b、40c内の温度センサTにより自動販売機の冷却、加熱運転などを制御する制御手段100とを有して構成されている。
より詳細に説明すると、外扉20は、本体キャビネット10の前面開口を開閉するためのものであり、図には明示していないが、この外扉20の前面には、販売する商品Wの見本を展示する商品展示室、販売する商品Wを選択するための選択ボタン、貨幣を投入するための貨幣投入口、払い出された商品Wを取り出すための商品取出口21等々、商品Wの販売に必要となる構成が配置してある。
商品収納庫40a,40b,40cは、缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品Wを所望の温度に維持した状態で収容するためのものであり、その収納庫の容量は商品収納庫40cが他の商品収納庫40a、40bより大きな態様で配分されている。その商品収納庫40a,40b,40cには、それぞれ、商品Wを上下方向に沿って並ぶ態様で収納し、販売信号により1個ずつ商品Wを排出するための商品搬出機構を備えた商品収納ラック、排出された商品Wを外扉の販売口21へ搬出する商品搬出シュート42を有している。
商品搬出シュート42は、商品搬出機構から搬出された商品Wを商品取出口21に導くためのものであり、商品収納庫の奥方から手前側に向けて漸次下方に傾斜する態様で商品収納庫40a,40b、40cに固定してある平板状部材である。また、空気循環手段80から吹出す冷却もしくは加熱された空気を通過させるようにその表面に多数の孔が穿設されている。
冷却ユニット60は、図2および図4に示すように、スターリング冷凍機61と、スターリング冷凍機61の高温部61bより高温排熱を移送する高熱移送手段60a(高温部熱交換器62、第1配管63、第2配管64よりなる)と、移送された高温排熱を放熱する放熱器65と、その放熱された熱を自動販売機の外部に排気するファン66と、スターリング冷凍機61の低温部61aより冷熱を移送する冷熱移送手段60b(低温部熱交換器67、液配管68、気中配管69よりなる)と、移送された冷熱を利用して庫内を冷却する蒸発器70とを備えて構成されている。
スターリング冷凍機61は、横置きに載置してあり、その先端部に稼動することにより冷熱を発生する低温部61aと、その中央側に高温排熱を発生する高温部61bとを有している。また、スターリング冷凍機61は、商品収納庫40a,40b、40cの内部に配設された温度センサTなどにより検知した温度に基づいて制御手段100により制御されるものである。
第1配管63は、高温部熱交換器62と放熱器65とを繋ぐ管路であり、高温部熱交換器62で受熱した冷媒を放熱器65まで移動させるためのものである。
第2配管64は、放熱器65と高温部熱交換器62とを繋ぐ管路であり、放熱器65で冷却された冷媒を高温部熱交換器62まで移動させるためのものである。
ファン66は、放熱器65の近傍に配設され、放熱器65により放熱された冷媒の高温排熱を自動販売機の外部に排気するためのものである。
低温部熱交換器67は、スターリング冷凍機61の低温部61aから冷熱を移送するためのものであり、低温部61aに外周面に熱的に接合した態様で接続している。この低温部熱交換器67の内部には冷媒を封入してあり、冷媒の通過路となる複数の細管が一列に並ぶ態様で形成してあり、低温部61aで発生した冷熱により各細管を通過する冷媒が凝縮されて凝縮液になる。ここに、冷媒としては、例えば二酸化炭素等のように常温では気体であって、スターリング冷凍機61の低温部61aからの冷熱では凍らないもの(不凍冷媒)が用いられている。
気中配管69は、低温部熱交換器67と蒸発器70とを繋ぐ管路であり、蒸発器70で蒸発した冷媒を気体の状態で蒸発器70から低温部熱交換器67まで移動させるためのものである。
液配管68と気中配管69との配置関係は、図には明示していないが、気中配管69が液配管68の上方に位置するようにしてある。これは、気中配管69を通過する冷媒の密度が液配管68を通過する冷媒の密度よりも小さいためである。このような冷媒配管の構成では、冷媒が低温部熱交換器67と蒸発器70との間で相変化を繰り返しながら重力を利用して循環するものであり、ループ型サーモサイフォン式ヒートパイプと呼ばれるものである。
伝熱管71は、細長い直管の中央部をU字状に曲成し2個の長い直線部を有するU字管と、U字状の短いベンド管とを交互に連結して、蛇行状に形成した銅製の配管である。また、図5の破線で示すように伝熱管71は、液配管68から気中配管69に向けて漸次上方に向かう態様で配設されている。
空気循環手段80は、図2に示すように庫内の空気を回収する背面ダクト81と、加熱もしくは冷却の通気流路を切り替える開閉機構82と、冷却容器90へ空気を流入出する開口部である流入口83、流出口84と、庫内に空気を循環送風する送風ダクト85と、庫内ファン86と、庫内の空気を加熱するヒータ87と、庫内の空気を冷却する冷却容器90とを有して構成されている。
開閉機構82は、加熱もしくは冷却された空気の通路を送風ダクト85または冷却容器90へ切り替えるためのものであり、立設部82aと底部82bとを有するL字型の板状部材で形成され、底板11に対してスライド自在に移動する。底部82bは、上面に断熱材82cが貼設され、開口部82dを有して構成されている。
開閉機構82が図2に示すように手前側(図中左側)にあるときは、立設部82aが背面ダクト81の下部と当接し、背面ダクト81から流入口83を介して冷却容器90へ繋がる流路を形成させるとともに、底部82bの開口部82dが流出口84と連通して、冷却容器90から流出口84を介して送風ダクト85へ繋がる流路を形成させる。また、開閉機構82が図6に示すように庫内の奥側(図中右側)にあるときは、底部82bにて流入口83、流出口84を閉成して、冷却容器90への空気の流出入を遮断し、背面ダクト81から直接送風ダクト85へ繋がる流路形成させる。かかるスライド操作は、図示していない機構により手動で行われるが、モータなどを使用して電動で行っても良い。
送風ダクト85は、図2に示すように背面ダクト81と連通し、前方を開口して、開閉機構82を囲繞する態様で矩形状に形成された板金部材である。内部に庫内ファン86およびヒータ87を取設し、冷却運転時には、冷却容器90からの冷却された空気を前方の開口部を介して庫内に送風し、加熱運転時には、ヒータ87を通電して、加熱された空気を庫内に送風する。
冷却容器90は、図5に示すように上方を開口し、外部を断熱壁91で構成した箱型構造体であり、内部に蒸発器70を収容し、蒸発器70を中央に配置したU字状の流路を形成する態様で流入路92および流出路93を区画する断熱壁94を取設している。また、断熱壁94の下部より蒸発器70の中央部に至るまで仕切板95が介挿されている。
流出路93は、蒸発器70にて冷却された空気を流出口84に送出する空間であり、上部が流出口84と連通し、下方部が蒸発器70の断面de、efと連通している。
仕切壁94は、天井面が流入口83、流出口84の間に位置し、底面が蒸発器70の上側に当接する断熱部材である。
仕切板95は、仕切壁94の底面より蒸発器70の中央部まで下方に延設した板状部材であり、流入路92から流入する空気が蒸発器70の上部のみを通過して流出口84へ至る流れ(いわゆるショートカット流れ)を抑制するためのものである。仕切板95は、蒸発器70における伝熱管71の間の空間に介挿されて、必ずしも断熱部材である必要はない。
制御手段100は、図1に示すように外扉20の内側に取設され、内部に主制御部、メモリなどを有し、送風ダクト85の上部に取設してある庫内センサTの温度を検知して、冷却ユニット60およびヒータ87の運転を制御して、各商品収納庫40a,40b,40cの商品Wを所定の温度にするためのものである。
かかる構成において、まず、冷却ユニット60の冷媒の流れおよび冷却の動作を図2,4により説明する。
スターリング冷凍機61の高温部61bからの高温排熱は、次のようにして自動販売機の外部に放出される。高温部61bに熱的に接続している高温部熱交換器62において高温排熱を移送された冷媒は、第1配管63を通じて放熱器65まで移動し、放熱器65にて放熱される。放熱された熱は、ファン66によって自動販売機の外部に放出される。また、放熱器65で放熱した冷媒は、第2配管64を通じて高温部熱交換器62まで移動し、この高温部熱交換器62で再び受熱することにより上記サイクルを繰り返すことになる。封入されている冷媒が二酸化炭素であるので、放熱器65内の温度が約31℃を超えると冷媒は凝縮することはなく、超臨界の状態で放熱するサイクルを繰り返すことになる。
また、スターリング冷凍機61の低温部61aからの冷熱を次のようにして蒸発器70の内部に移送する。低温部61aに熱的に接続している低温部熱交換器67において冷熱を移送された冷媒は、低温部熱交換器67内で凝縮し液体となって液配管68を通じて蒸発器70の下部の伝熱管71まで移動して滞留する。滞留した液冷媒は伝熱管71外部の空気と熱交換をして蒸発をし、その蒸発熱で冷却された空気は庫内に移送される。一方、蒸発した冷媒は伝熱管71を上方に沿って気中配管69に上昇し、気中配管69を通じて低温部熱交換器67に戻され、放熱して液体に戻るというサイクルを繰り返すことになる。
また、冷却容器90内では、図5の矢印で示すように流入口83より流入する空気は、流入口83を通過して蒸発器70の断面ab、bcを通過して、伝熱管71内部の冷媒と熱交換を行う。流入する空気は、仕切板95に沿って流れ、蒸発器70の下部で液冷媒が滞留をしている伝熱管71と直接当たる。したがって、流入する空気と当該滞留をしている伝熱管71とで直接熱交換するので、熱交換効率が高く、冷却特性が向上する。
この実施の形態による冷却装置によれば、商品収納庫の庫内を循環する空気を冷却させるための蒸発器と、商品収納庫の下方に位置し、商品収納庫と連通した流入口および流出口との間に蒸発器を中央に配置したU字状の流路を形成する冷却容器と備え、商品収納庫に収容させた商品を冷却容器に収容した蒸発器により冷却するための冷却装置において、蒸発器の内部または内部中央に上端より下方に向けて仕切板を介挿するので、蒸発器内を通過する庫内の循環空気が蒸発器の上部のみをバイパスすることがなく、蒸発器全体に通過して熱交換する結果、蒸発器の熱交換効率が向上し、各商品収納庫に収容された商品を効率的に冷却することができる。
40a 商品収納庫
40b 商品収納庫
40c 商品収納庫
42 シュート
50 機械室
60 冷却ユニット
60a 高温排熱移送手段
60b 冷熱移送手段
61 スターリング冷凍機
62 高温部熱交換器
63 第1配管
64 第2配管
65 放熱器
66 ファン
67 低温部熱交換器
68 液配管
69 気中配管
70 蒸発器
71 伝熱管
72 フィン
80 空気循環手段
81 背面ダクト
82 開閉機構
83 流入口
84 流出口
85 送風ダクト
86 庫内ファン
87 ヒータ
90 容器(冷却容器)
91 断熱壁
92 流入室
93 流出室
94 仕切壁
95 仕切板
100 制御手段
Claims (2)
- スターリング冷凍機で発生した冷熱を移送させるための冷熱移送手段と、前記冷熱移送手段により移送させた冷熱を利用して、商品収納庫の庫内を循環する空気を冷却させるための蒸発器と、前記商品収納庫の下方に位置し、前記商品収納庫と連通した流入口および流出口との間に前記蒸発器を中央に配置したU字状の流路を形成する冷却容器と備え、前記商品収納庫に収容させた商品を前記冷却容器に収容した前記蒸発器により冷却するための冷却装置において、
前記U字状の流路は、天井面が前記流入口および前記流出口との間に弾性を有するシール部材を介して接し、底面が前記蒸発器の上側に当接する仕切壁と、前記仕切壁の底面より前記蒸発器の内部中央部まで下方に延設して介挿された板状部材の仕切板とで形成され、前記流入口から流入した空気は前記仕切壁および仕切板に沿って流れ、前記蒸発器の下部で液冷媒が滞留している前記蒸発器の伝熱管とで直接熱交換して冷却され、前記流出口から前記商品収納庫の庫内に戻り、前記商品収納庫に収容させた商品を冷却することを特徴とする冷却装置。 - 前記冷熱移送手段と前記蒸発器との熱移送がサーモサイフォンにより構成されていることを特徴とする請求項1に記載の冷却装置。
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