JPH0760045B2 - 冷却システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、熱エネルギーを用いてより低い温度を得る一
つの手段として、空気調和或いは冷蔵冷凍等に応用しう
るものである。

特に本発明は急速な冷却を必要とする場合に有効な方法
で、冷凍冷蔵庫などにおける急速な冷却補助手段として
有用である。

従来の技術 食品等を冷凍保存するに際し、急速に温度を低下させ凍
結することが、鮮度を維持する上で重要とされており、
通常の圧縮式冷凍機による冷凍システムでは、冷媒の蒸
発器に直接被冷凍物を接触させて被冷凍物の温度を低下
させる方法などが用いられているが、さらに急速に冷却
するためには、冷媒の蒸発温度をさらに下げる必要があ
る。しかし、温度が下がると蒸発圧力も低下するため能
力を維持するためには圧縮機の能力のより大きいものが
必要となり、通常の運転時には過大設備となり不経済で
ある。

そこで金属水素化物冷却装置のごとき間欠作動式の冷却
装置により、急速な冷却を必要とする時にのみつれを作
動させ、通常の運転時に水素ガスを逆流させて準備状態
としておくという方法が発明されている。

これは一種の冷蓄熱と考えられ、金属水素化物と水素の
組み合せは、低音でも十分平衡圧の高い材料があるの
で、有用な方法である。

まず金属水素化物を用いた間欠式冷却装置の原理を簡単
に説明する。

間欠式ヒートポンプとは、第３図に示すごとく、２つの
容器、1,2に、それぞれ同一温度（温度は任意）におけ
る平衡圧の異る金属水素化物となる合金3,4を封入し、
両者を連通する配管５とその間に弁６を設け、真空排気
の後、水素ガスを封入したものである。

第４図は間欠式冷却装置を示すサイクル図である。

横軸に絶対温度Ｔの逆数，縦軸に圧力の対数をとったも
ので、それぞれの金属水素化物の温度圧力特性は、本図
上で、それぞれ一本の直線となる。

今平衡圧の低い金属水素化物の特性線をAD,高い方をBC
で表わしたとし、それぞれの材料をMH1,MH2と呼ぶこと
にする。第３図の容器１にMH1,容器２にMH2が入ってい
るものとする。

まず、MH1を比較的水素化が進んだ状態に、MH2が脱水素
化が進んだ状態にあるとし、MH1をT₁度に、MH2をT₂度に
保つと、それぞれの平衡圧はP₁，P₂となり、P₁＞P₂とな
っておれば、第３図の弁６を開くことにより、水素は容
器１から容器２に移動し、MH1は脱水素化し、MH2は水素
化する。

この際MH1は吸熱し、MH2は発熱するのでMH1を加熱し、M
H2を放熱させる必要がある。

ある一定時間後、水素は殆んどMH1からMH2に移るので、
こゝで弁６を閉じ、MH1をT₄度に冷却すると、その平衡
圧はP₄に下がる。次に弁６を開くと、MH2は始めT₂の温
度にあり、圧力もP₂にあるので、水素は急速にMH2から
放出され、MH1に吸着されてゆく。

この際MH2では吸熱反応であるため、温度がT₃まで下が
り、この温度で吸熱を続ける。すなわち冷却能力を発生
する。

温度T₃は圧力差P₃−P₄による水素の脱離速度および、MH
2に対する熱の流れ込みの大きさできまる。

又MH1は発熱するので、この熱を速やかに取り除かない
とT₄という温度を保つことはできず、温度が上昇するた
め、平衡圧P₄も上昇し、P₃−P₄が減少して反応が遅くな
り、冷却能力が減少する。

従ってMH1の放熱が十分行われゝば、MH2の吸熱反応は急
速に進行し、始めのT₂温度よりかなり低いT₃温度で冷却
能力を発揮する。

これが間欠式ヒートポンプサイクルの原理による低温を
得る方法であり、MH1の温度上昇をおさえることがより
低い温度を急速に達成する要点である。

間欠式サイクルは使用する材料が有限であるから、或る
時間で反応は終了するので、再び弁６を閉じ、MH1をT₁
に加熱すると圧力はP₁に上昇するので、弁６を開くと、
水素は再びMH1からMH2に移動し、次の冷却の準備態勢が
できあがる。

この原理を用いて冷蔵庫のような限られた空間を常に冷
却しようとした場合に、MH2を充填した容器を、その空
間内に固定して設けると、先にものべたごとく、再生時
に逆に発熱するため都合が悪い。

しかし、例えば急速にある物を冷却し、冷却し終ったも
のは別の低温の庫内に保存するといった使用方法では前
記金属水素化物を用いた間欠作動冷却装置は、適切に使
用された場合は、短時間に低い温度を得る手段として有
効である。

しかし先にものべたごとく急速に冷却するためには、第
１の金属水素化物の発熱をできるだけすみやかに捨てる
必要があるが、これを実施するには大きな伝熱面が必要
で、金属水素化物の層も1mm以下にする必要があり実施
が難しい面があった。

これに対し、第１の金属水素化物の温度を十分低くしか
つ、熱容量が大となるごとく、金属水素化物の量を増
し、容器なども大きくすることにより、水素化に際して
の発熱の結果金属水素化物の温度が上昇しても、水素化
反応をいちじるしく阻害しないよう、前記初期温度、お
よび熱容量を設定する方法が考えられている。

発明が解決しようとする問題点 前記の水素吸着に際しての発熱による昇温に由来する吸
着反応速度の低下を、第１の金属水素化物をあらかじめ
十分低い温度に保つことにより解決する方法は、第１の
金属水素化物の容器を冷蔵庫内に設置することにより達
成することができるが、反応の終了後、第１の金属水素
化物を加熱し、水素を第２の金属水素化物に移す際の熱
の洩れや、この過程が終了した後再び第１の金属水素化
物を冷却する際の放熱などがすべて冷蔵庫の熱負荷とな
る。特に第１の金属水素化物とその容器の熱容量は相対
的に大きく設計してあるので、放熱量も大きく不利であ
る。

問題点を解決するための手段 冷蔵庫などの外部に加熱手段を有する第１の金属水素化
物収容容器を設け、同内部に設けた第２の金属水素化物
収容容器と、この両者を開閉可能な弁を有する配管によ
り連通し、内部の水素を２つの金属水素化物のそれぞれ
の温度により両者の間を移動可能とした間欠作動式冷却
システムを作成し、前記外部に設けた第１の金属水素化
物容器内の金属水素化物と熱交換可能な伝熱管と、冷蔵
庫の外の空気と熱交換可能な第１の空冷熱交換器と、冷
蔵庫内の空気と熱交換可能な第１の空冷熱交換器のそれ
ぞれの伝熱管を結んで閉ループを形成し、前記第１の金
属水素化物容器の伝熱管と、冷蔵庫内に設けた第２の空
冷熱交換器の伝熱管の接続区間に開閉可能な弁を設け、
閉ループ内に蒸発凝縮可能な熱媒体を封入した放熱シス
テムを設ける。

さらに第１の空冷熱交換器と第２の空冷熱交換器のそれ
ぞれの伝熱管の接続区間に開閉可能な弁を設け、この弁
の第１の空冷熱交換器の伝熱管側と、第１の金属水素化
物収容容器の伝熱管側との間にバイパス管路を設ける場
合もある。

作用 金属水素化物MH2からの水素の脱離、従ってこゝでの吸
熱反応が終了した所から述べる。

次に行うことは金属水素化物MH1内の水素を金属水素化
物MH2に移動させ、次の使用に対する準備を行う過程で
は、前記金属水素化物MH1と冷蔵庫内外の空冷熱交換器
を結ぶループ管路内に設けた弁を閉ることにより、前記
ループ内の熱媒体の循環が妨げられるため、金属水素化
物MH1の容器に設けた加熱器により加熱を行っても放熱
は殆んど行われず、もっぱら金属水素化物MH1が加熱さ
れ、水素平衡圧が上昇し、庫内に設けた金属水素化物容
器中の金属水素化物MH2をより水素化する。この際発熱
を伴うが、冷蔵庫の冷却器で冷却される。

この水素の移動が終った所で原理を示す第３図の弁６を
閉じ、金属水素化物MH1の加熱を停止し、前記閉ループ
内の弁を開くと熱媒が蒸発し、始めは庫外の空冷熱交換
器で凝縮放熱し、次第に金属水素化物MH1は室温まで冷
却される。その際庫内の熱交換器入口の弁を閉じておく
と、庫外の熱交換器で凝縮した液化熱媒は、庫内の熱交
換器をバイパスして金属水素化物MH1の伝熱管にもど
る。金属水素化物MH1がほヾ室温に達すると、ループ内
の熱媒の蒸発，凝縮は自然に停止する。こゝで庫内の熱
交換器入口の弁を開くと、こゝで熱媒蒸気の凝縮が起
り、再び熱媒の循環を生じ、金属水素化物MH1は庫内温
度まで冷却される。

このように、空冷熱交換器を庫内外に設け、加熱機能を
有する金属水素化物容器内の伝熱管とで閉ループを作
り、開閉可能な弁をループ内に設けることにより、加熱
時の放熱を停止し、冷却時には、まず室温までは庫外の
熱交換器で、それ以後は庫内の熱交換器で放熱し、金属
水素化物を庫内温度にまで冷却することができる。

実施例 第１図は本発明の一実施例を示す。断熱材18によって断
熱された箱17は図には示されていない圧縮式の冷凍機で
冷却されている冷蔵庫を示す。

この中のある区画された部分19の中に金属水素化物MHz
を充填した容器12を配置した。

この区画19は通常冷蔵庫の中でも温度の低い冷凍庫とい
われる部分に設けることにより、通常この容器およびそ
の中の金属水素化物は−20℃位に冷却されている。

一方これと弁16を有する配管15によって結ばれている金
属水素化物MH1を収容する容器11は、庫外に設置され、
加熱用ヒーター20を有すると共に、熱媒体が流通する、
合金と熱交換可能な伝熱管21を有する。

この容器11は冷蔵庫裏面の低い位置に設置され、かつ伝
熱管に一方的上り勾配が付くよう設置した。

冷蔵庫の裏面には又放熱フィンを有する伝熱管23が設け
てあり、この中で凝縮した液化熱媒体が重力で流下しう
るよう一方的な下り勾配を付してあり、その一番高い位
置にある管端と、前記金属水素化物容器11の伝熱管21の
一番高い位置にある管端とを配管22で結ぶ。

又伝熱管23の一番低い位置は、弁26を経て庫内に設けた
フィン付伝熱管24の最上端に結ばれ、その最下端は弁25
を経て、金属水素化物容器11の伝熱管21の一番低い位置
にある管端と結ばれて閉ループを形成する。

弁26の庫外伝熱管23側と、弁25の庫内伝熱管24側を結ぶ
バイパス管27を設けてある。

このように伝熱管21,23,24は閉回路を形成しており、真
空排気後熱媒体が封入されており、金属水素化物MH1が
高温で、放熱する必要のある時は、弁25を開くことによ
り、熱媒液が伝熱管21の中で加熱され、蒸発し、その温
度が外気温度より高い時は、庫外の伝熱管23内で凝縮す
る。この液化した熱媒を庫内の伝熱管24の中を流す必要
がないので、弁26を閉じておけば、バイパス管路27を経
て、伝熱管21の最下端に端し再び加熱されて蒸発する。
この循環は金属水素化物MH1が外気温に冷却されるまで
続き、やがて熱媒蒸気は凝縮しなくなる。こゝで弁26を
開くと熱媒蒸気は庫内の伝熱管24内に流入し、こゝで凝
縮し、再び熱媒の循環が行われる。その結果金属水素化
物、MH1は庫内温度まで冷却される。

この冷却過程で２つの金属水素化物容器11,12を連通す
る配管15の間に設けた弁16を閉でおく。

第２図はこの金属水素化物冷却サイクルを示すサイクル
図であり、図のＡ点からＤ′点までの金属水素化物MH1
の冷却は外気冷却で、Ｄ′点からＤ点までの冷却は庫内
空気で行われる。

次に弁16を開くと水素は金属水素化物MH2から金属水素
化物MH1に水素が移動し、金属水素化物MH1は発熱する。
この時熱媒ループの弁25,26は開いているので、熱媒循
環により金金水素化物MH1の冷却が行われるが、熱交換
器24の能力の関係で発熱の一部は即座に捨て切れないの
でT₄より上昇するが、外気温を越えると熱交換器23も機
能するのでT₄′以下におさえられる。その結果金属水素
化物MH2は急速に−50℃まで冷却されその周囲の物をこ
の温度にまでやはり急速に冷却することができた。

なお本例では弁26、バイパス管27を有する例を説明した
が、これらが無い場合は、空冷熱交換器23が機能してい
る時、液化した熱媒が庫内の空冷熱交換器24中を流れる
ので、液化熱媒は庫内温度近くまで冷却される。

このことは冷却機能上は有利であって、一定の熱媒循環
量に対して冷却能力は液の顕熱分だけ増加する。しか
し、冷蔵庫にとっては幾分熱負荷が増大する。

発明の効果 金属水素化物冷却サイクルを用いた急速冷却システムに
おいては、反応を急速に進めることが必要欠くべからざ
ることである。そのためには発熱する側の金属水素化物
の温度上昇をできるだけ押さえることが求められるが、
それは伝熱面積を増すことに帰せられる。しかし、それ
には実用上の限度があるため、水素化反応を起こす前の
金属水素化物の温度を低く、金属水素化物および容器の
熱容量を大にして、反応による昇温を小さくする方法が
発明されており、冷蔵庫に金属水素化物を用いた急速冷
凍システムを付加するような場合には、急冷機能を出す
側の金属水素化物のみならず、これと対をなす他の金属
水素化物も冷蔵庫内に設置して、低い温度に保つように
なされているが、この構成では、急速冷却を行った後、
逆の反応を進める際に、金属水素化物を加熱する必要が
あるが、これを庫内で行うと、熱洩れがどうしてもある
ため余分な熱負荷を冷蔵庫に与えるたとゝ、高温に加熱
した金属水素化物とその容器を再び、庫内温度にまで冷
却する。その全熱量が冷蔵庫の熱負荷になる欠点が生ず
る。

しかし本発明によれば、加熱される金属水素化物および
その容器は庫外にあるため、熱洩れが冷蔵庫の熱負荷に
ならない。また、加熱された前記金属水素化物およびそ
の容器を室温に冷却するまでの放熱量は、庫外の大気に
向って捨てられ、大気温度から冷蔵庫温度まで冷却する
に必要な放熱量のみが冷蔵庫の熱負荷になる。

以上のごとく本発明によれば冷蔵庫の熱負荷を大きく軽
減することができる。特に冷却速度を落さないよう、前
記金属水素化物およびその容器の熱容量を比較的大きく
設計している時は、この熱負荷軽減の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の冷却システムの構成図、第
２図は前記実施例のサイクル図、第３図は金属水素化物
冷却システムの構成原理図、第４図は金属水素化物冷却
システムのサイクル原理図である。 11,12……金属水素化物収容容器、23,24……フィン伝熱
管、16……水素流路用開閉弁、25,26……熱媒回路用開
閉弁。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】独立した冷却機により冷却される外界と断
   熱された空間を設け、加熱手段を有し、前記空間外に設
   けた第１の金属水素化物収容器と、前記空間内に設けた
   第２の金属水素化物収容容器と、この両者を開閉可能な
   弁を有する配管により連通し、内部の水素を２つの金属
   水素化物のそれぞれの温度により両者の間を移動可能と
   した間欠作動式冷却システムで、前記空間外に設けた第
   １の金属水素化物容器内の金属水素化物と熱交換可能な
   伝熱管と、前記空間外の空気と熱交換可能な第１の空冷
   熱交換器の伝熱管と、前記空間内の空気と熱交換可能な
   第２の空冷熱交換器の伝熱管を結んで、閉ループを形成
   し、前記第２の空冷熱交換器の伝熱管から前記第１の金
   属水素化物容器の伝熱管の区間に開閉可能な弁を設け、
   前記第１の金属水素化物容器の伝熱管を、前記３つの伝
   熱管の中で最も低い位置に設け、閉ループ内に蒸発凝縮
   可能な熱媒体を封入した放熱システムを設けた冷却シス
   テム。
2. 【請求項２】冷却システムに設けた放熱システムで、第
   １の空冷熱交換器の伝熱管と第２の空冷熱交換器の伝熱
   管との接続区間に開閉可能な弁を設けると共に、この弁
   の第１の空冷熱交換器側と、第２の空冷熱交換器の伝熱
   管と、第１の金属水素化物収容容器の伝熱管の間に設け
   た弁の、第２の空冷熱交換器側との間にバイパス管路を
   設けた特許請求の範囲第１項記載の冷却システム。