JP3689761B2

JP3689761B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP3689761B2
Application number: JP2004020679A
Authority: JP
Inventors: チン・イ
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP2005214479A

Description

本発明は、スターリング冷凍機を備えた冷却装置に関するものである。

特許文献１等に記載された従来のスターリング冷凍機を備えた冷却装置について説明する。図３は、従来の冷却装置の概略構成を示す側面図である。この冷却装置１００は、スターリング冷凍機１にて発生する冷熱を取り出す低温側冷熱搬送サイクル５及び温熱を外部に放出する高温側熱搬送サイクル４を備えたものである。スターリング冷凍機１は、内部に封入された作動媒体（例えばヘリウム）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。

低温側冷熱搬送サイクル５は、概略的には、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循環回路内でサーモサイフォンを形成する。低温側蒸発器１５には、熱交換面積を拡大するための複数の平板フィン１６が取り付けられている。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している。そして、低温側蒸発器１５の下方にはドレン皿１７が設けられており、低温側蒸発器１５の表面で結露して落下するドレン水を受けて貯留するようにしている。

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サーモサイフォンから成り、概略的には、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の最上端に連結している。高温側凝縮器８には、熱交換面積を拡大するために複数の平板フィン１８が取り付けられている。そして、高温側凝縮器８の後方には一対の放熱ファン１９が設けられており、放熱ファン１９により熱を外部に排出している。

図４は、従来の冷却装置における高温側熱搬送サイクルの具体的な構造を示す斜視図である。この図を参照して高温側熱搬送サイクル４の構成を更に詳細に説明する。

高温側蒸発器６は全体として環体をなすが、スターリング冷凍機１の高温部２への取り付けの利便性を考慮して、２つの半環体６Ａ，６Ｂを直径方向で合体する構造が採用されている。各半環体６Ａ，６Ｂの円弧の両端に相当する面は、閉塞されている。半環体６Ａ，６Ｂは、高温部２の周囲に対して鉛直方向の上下で合体され、双方の下端部でＵ字状の連通管６Ｃにより連通接続される。半環体６Ａ，６Ｂ内部の冷媒凝縮液は、連通管６Ｃを介して互いに行き来し、混合される。

蒸気側冷媒配管７は、高温側蒸発器６の各半環体６Ａ，６Ｂに接続される２本の縦管７Ａ，７Ｂと、双方の縦管７Ａ，７Ｂに接続される横管７Ｃ（「ヘッダー管」ともいう。）とから構成されている。縦管７Ａ，７Ｂは、各半環体６Ａ，６Ｂの外周面上端部と、横管７Ｃの最下部とを鉛直方向に連結している。横管７Ｃは、長手方向の両端面が閉塞され、スターリング冷凍機１の軸に直交する方向、かつ、水平方向に配置される。

凝縮液側冷媒配管１１も、蒸気側冷媒配管７と同様の構成であるが、サーモサイフォンを構成するべく、蒸気側冷媒配管７の横管７Ｃは、凝縮液側冷媒配管１１の横管１１Ｃよりも高い位置に配置され、さらにそのサーモサイフォンを効率良く働かせるため、縦管、横管ともに、凝縮液側冷媒配管１１よりも蒸気側冷媒配管７の方が相対的に大口径の管が使用されている。

高温側凝縮器８は、横管７Ｃ，１１Ｃの長手方向、すなわち水平方向に平行配置された６本の蛇管８Ａ〜８Ｆで構成されている。各蛇管８Ａ〜８Ｆの一端は横管７Ｃに接続されるとともに、他端は横管１１Ｃに接続されていて、蛇管全体で双方の横管７Ｃ，１１Ｃ間をその長手方向で均等に連結している。また、複数の平板フィン１８は、蛇管８Ａ〜８Ｆの直線部分に平行に配設されており、その直線部分と熱的に結合されている。

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、その半環体６Ａ，６Ｂ内に溜まっている冷媒を蒸発させる。蒸発した冷媒蒸気は、それぞれ蒸気側冷媒配管７の縦管７Ａ、７Ｂ内を上昇して、横管７Ｃ内で合流した後、６つの蛇管８Ａ〜８Ｆへ分岐して流れる。これにより、冷媒蒸気は、高温側蒸発器６より高い位置に設置された高温側凝縮器８内を流通し、平板フィン１８を介して環境雰囲気と熱交換して凝縮され、冷媒凝縮液となる。

その冷媒凝縮液（又は、気体を混合した冷媒凝縮液）は、凝縮液側冷媒配管１１の横管１１Ｃ内で合流し、さらに縦管１１Ａ，１１Ｂへ分岐して流下し、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はるかに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との上下配置による高度差と、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。
特開２００３−３０２１１７号公報特開２００３−５１０７３号公報

このようなスターリング冷凍機１を含む冷却装置１００は、それ自体独立して組み立てられた後、図示しない冷蔵庫に搭載され、製品として出荷される。このとき、冷蔵庫を水平な場所に設置した時、横管７Ｃ，１１Ｃが水平となるように、冷却装置１００は組み込まれる。

しかし、このように組み込まれたとしても、ユーザーの下では、冷蔵庫の設置場所の水平性は確保しがたいし、現実に傾いた場所に冷蔵庫が置かれることはあり得ることである。この場合、図５に示すように、システム全体が水平面より傾いた状態となり、凝縮液側冷媒配管１１の横管１１Ｃ内部には、重力方向において低くなる方の縦管（図５では１１Ｂ）の上端より下方にある部分に冷媒凝縮液２０が溜まり、冷媒循環量が減少して放熱効率が低下する。

本発明は、このような従来の冷却装置にみられる問題点に鑑みてなされたものであり、冷却装置が傾いても、スターリング冷凍機の高温側熱搬送サイクル内で冷媒を安定して循環させることができる冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本願の冷却装置は、スターリング冷凍機と、該スターリング冷凍機の高温部にて発生する温熱を外部に放出する高温側熱搬送サイクルとを備え、前記高温側熱搬送サイクルは、前記スターリング冷凍機の高温部に取り付けられた高温側蒸発器と、該高温側蒸発器よりも高い位置に配置された高温側凝縮器とを備え、前記高温側蒸発器と前記高温側凝縮器との間を蒸気側冷媒配管及び凝縮液側冷媒配管で接続して冷媒循環回路が形成され、前記高温側凝縮器は複数の凝縮管とフィンとにより構成され、前記凝縮液側冷媒配管は、前記複数の凝縮管の端部が接続される両端閉塞の横管と、前記高温側蒸発器と前記横管とを連結する一対の縦管とから成り、一方の前記縦管の上端は前記横管の一端部に接続され、他方の前記縦管の上端は前記横管の他端部に接続された冷却装置において、一方の前記縦管の上端と前記横管との接続部は前記横管における前記凝縮管との接続部より一端側に接続され、他方の前記縦管の上端と前記横管との接続部は前記横管における前記凝縮管との接続部より他端側に接続されていることを特徴とする。この構成によると、冷却装置が傾いても、高温側熱搬送サイクルの横管内に冷媒凝縮液が溜まることがない。

前記縦管の上端には横管が、下端には高温側蒸発器がそれぞれ接続されるが、その接続口の水平方向の位置は横管と高温側蒸発器とで必ずしも一致しない。そのため、前記縦管は下り勾配を有する傾斜部を備えることになる。なお、冷蔵庫の設置場所の傾きについては、一般的に、安全基準が５°以内とされているため、冷却装置水平時を基準とした前記縦管傾斜部の下り勾配を５°以上に設定することで、冷却装置が傾いても下り勾配を維持して、冷媒凝縮液の詰まりを防止することができる。

本発明の冷却装置によると、スターリング冷凍機の駆動により高温部に発生する熱を搬送して、外部へ放熱させるためのサーモサイフォンを利用した高温側熱搬送サイクル中で、冷媒凝縮液を高温側蒸発器に自然流下させる経路となる凝縮液側冷媒配管を、高温側凝縮器の出口に設けられる両端閉塞の横管と、該横管及び前記高温側蒸発器とを鉛直方向に連結する一対の縦管とで構成し、各縦管の上端を横管の一端部及び他端部にそれぞれ接続している。したがって、冷却装置が傾いても、高温側熱搬送サイクルの横管内に冷媒凝縮液が溜まることがなく、該サイクル内で冷媒を安定して循環させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の冷却装置における高温側熱搬送サイクルの具体的な構造を示す斜視図であり、図２は、同高温側熱搬送サイクルの正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。これらの図において、従来の冷却装置と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１及び図２に示すように、凝縮液側冷媒配管１１の縦管１１Ａ，１１Ｂの上端を、横管１１Ｃの一端部及び他端部にそれぞれに接続している。縦管１１Ａ，１１Ｂの下端は、従来同様、半環体６Ａ，６Ｂの外周面上端部にそれぞれ接続される。したがって、縦管１１Ａ，１１Ｂが接続される上下の接続口が水平方向で一致しなくなる。そのため、縦管１１Ａ，１１Ｂには、下り勾配を有する傾斜部１１Ａａ，１１Ｂａ（図２（ａ）参照）を備えた曲げ管を使用している。これにより、冷却装置１００（図３参照）が多少傾いても、横管１１Ｃの端部のいずれかが横管１１Ｃ全体で最も低くなるため、入口が低い方の縦管を伝って流れ落ち、横管１１Ｃ内に冷媒凝縮液が溜まることがない。

一般的に、冷蔵庫の設置場所の傾きは、水平を含め５°以内とされているため、冷却装置１００の水平時を基準とした上記縦管傾斜部１１Ａａ，１１Ｂａの下り勾配α（図２（ａ）参照）を５°以上に設定することで、冷却装置１００が最悪５°傾いても、縦管傾斜部１１Ａａ，１１Ｂａの下り勾配は維持され、サーモサイフォンが機能しなくなるのを防止することができる。このため、安定して冷媒を循環させることができる。

また、蒸気側冷媒配管１１の横管１１Ｃには、脱気用のチャージパイプ２１を取り付けている。高温側熱搬送サイクルに水冷媒を使用する場合、水に溶存する不凝縮ガス（空気）を取り除く必要あるため、水冷媒を封入した後にチャージパイプ２１を使ってサイクル内部の密閉系を真空引きしている。このように高い位置にチャージパイプ２１を取り付けることにより、真空引きの際の水の吸い込み防止と真空引きの効率向上が図られる。

本発明は、スターリング冷凍機を備えた冷却装置に関するものであり、本装置を冷蔵庫に搭載することで、いわゆるノンフロン冷蔵庫を実現できる。

は、本発明の冷却装置における高温側熱搬送サイクルの具体的な構造を示す斜視図である。は、同高温側熱搬送サイクルの正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。は、従来の冷却装置の概略構成を示す側面図である。は、同冷却装置における高温側熱搬送サイクルの具体的な構造を示す斜視図である。は、同冷却装置が傾いた状態での、同高温側熱搬送サイクルの要部の正面図である。

符号の説明

１スターリング冷凍機
２高温部
３低温部
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
６Ａ，６Ｂ半環体
６Ｃ連通管
７，１４蒸気側冷媒配管
７Ａ，７Ｂ縦管
７Ｃ横管
８高温側凝縮器
８Ａ〜８Ｆ蛇管
１１，１３凝縮液側冷媒配管
１１Ａ，１１Ｂ縦管
１１Ａａ，１１Ｂａ傾斜部
１１Ｃ横管
１２低温側凝縮器
２１チャージパイプ

Claims

スターリング冷凍機と、
該スターリング冷凍機の高温部にて発生する温熱を外部に放出する高温側熱搬送サイクルとを備え、
前記高温側熱搬送サイクルは、前記スターリング冷凍機の高温部に取り付けられた高温側蒸発器と、該高温側蒸発器よりも高い位置に配置された高温側凝縮器とを備え、
前記高温側蒸発器と前記高温側凝縮器との間を蒸気側冷媒配管及び凝縮液側冷媒配管で接続して冷媒循環回路が形成され、
前記高温側凝縮器は複数の凝縮管とフィンとにより構成され、
前記凝縮液側冷媒配管は、前記複数の凝縮管の端部が接続される両端閉塞の横管と、前記高温側蒸発器と前記横管とを連結する一対の縦管とから成り、
一方の前記縦管の上端は前記横管の一端部に接続され、他方の前記縦管の上端は前記横管の他端部に接続された冷却装置において、
一方の前記縦管の上端と前記横管との接続部は前記横管における前記凝縮管との接続部より一端側に接続され、
他方の前記縦管の上端と前記横管との接続部は前記横管における前記凝縮管との接続部より他端側に接続されていることを特徴とする冷却装置。
前記縦管が、下り勾配を有する傾斜部を備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記下り勾配を冷却装置水平時を基準として５°以上としたことを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。