JP4029748B2 - スターリング冷凍機の冷熱移送装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機の冷熱移送装置に関し、より詳細には、スターリング冷凍機の冷熱部から得た冷熱を、作動流体を備えた熱伝達手段によって所定の冷却部位に移送するようにしたスターリング冷凍機の冷熱移送装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば自動販売機においては、冷凍サイクルを用いて商品の冷却を行うのが一般的である。冷凍サイクルは、蒸発器、圧縮機、膨張機および凝縮器を備えて構成されたものである。そして、そのような冷凍サイクルにおいては、フロン系冷媒が用いられていた。
【0003】
しかしながら、フロン系冷媒は大気中に放出されると、オゾン層を破壊してしまう虞れがある。そのため、環境保護の観点からフロン系冷媒の使用が世界的に規制される趨勢にある。
【0004】
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、内部の作動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、作動ガスとしては、ヘリウムガス等が用いられており、フロン系の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。また、スターリング冷凍機は小型であり、高エネルギー効率を有することも周知である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スターリング冷凍機は、その冷熱部の面積が僅かな部分に限られている。そのため、スターリング冷凍機を用いる場合には、冷熱部から得た冷熱を、冷却することが必要な所定の冷却部位まで効率よく移送することが求められている。
【0006】
本発明は、上記実情に鑑みて、スターリング冷凍機の冷熱部から得た冷熱を、所定の冷却部位まで効率よく移送することができるスターリング冷凍機の冷熱移送装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項1のスターリング冷凍機の冷熱移送装置は、横置きに載置されたスターリング冷凍機の円筒状の冷熱部から得た冷熱を、作動流体を備えた熱伝達手段によって所定の冷却部位に移送するようにしたスターリング冷凍機の冷熱移送装置において、前記熱伝達手段は、前記冷熱部と熱的に接続させた凝縮部と、前記冷却部位に配設した蒸発部と、前記凝縮部で凝縮された作動流体を前記蒸発部まで移動させるための液体流路と、前記蒸発部で気化された作動流体を前記凝縮部まで移動させるための蒸気流路とを備えて前記作動流体を相変化させながら循環させるものであり、前記凝縮部が前記冷熱部の周囲を覆う形態をなし、前記凝縮部の内部を前記作動流体がその重力によって移動できるよう、前記蒸気流路を途中で分岐させて前記凝縮器の上部の先端側および基端側に接続する一方、前記液体流路を途中で分岐させて前記凝縮部の下部の先端側および基端側に接続することにより、前記凝縮部の上部の先端側および基端側の双方から前記蒸気流路からの作動流体を流入させるとともに、前記凝縮部の下部の先端側および基端側の双方から凝縮液になった作動流体が前記液体流路に流出するようにしたことを特徴とする。
【0008】
また、本発明の請求項2のスターリング冷凍機の冷熱移送装置は、スターリング冷凍機の冷熱部から得た冷熱を、作動流体を備えた複数の熱伝達手段によって所定の冷却部位に移送するようにしたスターリング冷凍機の冷熱移送装置において、前記複数の熱伝達手段は、前記冷熱部と熱的に接続させた凝縮部と、前記冷却部位に配設した蒸発部と、前記凝縮部で凝縮された作動流体を前記蒸発部まで移動させるための液体流路と、前記蒸発部で気化された作動流体を前記凝縮部まで移動させるための蒸気流路とを備えて前記作動流体を相変化させながら循環させるものであり、各熱伝達手段を構成する凝縮部を前記冷熱部と分離可能な態様で熱的に接続し、前記各熱伝達手段が冷熱を移送する冷却部位のうち、いずれかの冷却部位が冷却を要しない場合には、該冷却部位に対応する熱伝達手段の凝縮部を前記冷熱部から離隔させたことを特徴とする。
【0009】
また、本発明の請求項3のスターリング冷凍機の冷熱移送装置は、スターリング冷凍機の冷熱部から得た冷熱を、作動流体を備えた複数の熱伝達手段によって所定の冷却部位に移送するようにしたスターリング冷凍機の冷熱移送装置において、前記複数の熱伝達手段は、前記冷熱部と熱的に接続させた凝縮部と、前記冷却部位に配設した蒸発部と、前記凝縮部で凝縮された作動流体を前記蒸発部まで移動させるための液体流路と、前記蒸発部で気化された作動流体を前記凝縮部まで移動させるための蒸気流路とを備えて前記作動流体を相変化させながら循環させるものであり、各熱伝達手段を構成する凝縮部を前記冷熱部と分離可能な態様で熱的に接続し、前記各熱伝達手段が冷熱を移送する冷却部位の冷却の要否に応じて、それぞれの凝縮部を前記冷熱部に対して熱的に接続、あるいは離隔させるためのアクチュエータを備えたことを特徴とする。
【0010】
また、本発明の請求項4のスターリング冷凍機の冷熱移送装置は、上記の請求項1〜3のいずれか一つにおいて、前記凝縮部と前記冷熱部との間に伝熱ブロックを介在させたことを特徴とする。
【0011】
また、本発明の請求項5のスターリング冷凍機の冷熱移送装置は、上記の請求項1〜4のいずれか一つにおいて、前記凝縮部の内部には、該凝縮部の先端側から基端側に向かう方向に複数のフィンを並設し、これらフィンの間に作動流体の流路を形成するとともに、前記フィンの表面を凹凸状にしたことを特徴とする。
【0012】
また、本発明の請求項6のスターリング冷凍機の冷熱移送装置は、上記の請求項1、請求項4または請求項5において、前記熱伝達手段を複数有し、各熱伝達手段を構成する凝縮部を、前記冷熱部と分離可能な態様で熱的に接続したことを特徴とする。
【0013】
また、本発明の請求項7のスターリング冷凍機の冷熱移送装置は、上記の請求項2において、前記各熱伝達手段が冷熱を移送する冷却部位の冷却の要否に応じて、前記各熱伝達手段の凝縮部を前記冷熱部に対して熱的に接続、あるいは離隔させるためのアクチュエータを備えたことを特徴とする。
【0014】
また、本発明の請求項8のスターリング冷凍機の冷熱移送装置は、上記の請求項1〜7のいずれか一つにおいて、前記凝縮部は、互いに分離可能な上側凝縮部と下側凝縮部とを有し、前記上側凝縮部および下側凝縮部のそれぞれには、個別に作動流体がその重力によって移動できるよう、前記蒸気流路および液体流路を接続したことを特徴とする。
【0015】
また、本発明の請求項9のスターリング冷凍機の冷熱移送装置は、上記の請求項8において、前記上側凝縮部の内部には、前記冷熱部に接する側の第1の壁と、該第1の壁に対向する第2の壁との間に、前記冷熱部から得た冷熱を前記第2の壁に伝達する冷熱伝達手段を備え、前記下側凝縮部の内部は、少なくとも前記スターリング冷凍機が稼動中においては、前記冷熱部に接する側の第3の壁と、凝縮された作動流体との間に間隙が存在することができる大きさの容積を有したことを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明に係るスターリング冷凍機の冷熱移送装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【0017】
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1に係るスターリング冷凍機の冷熱移送装置を示した説明図であり、その一部を断面で示している。図2は、図1におけるスターリング冷凍機の冷熱移送装置を簡単に示した説明図である。これら図1および図2において、スターリング冷凍機1は、自動販売機2に適用されている。このスターリング冷凍機1は、自動販売機2の下部2aに横置きに載置されており、稼動することにより発生する低温の冷熱部3と、高温の高熱部4とを有している。それら冷熱部3および高熱部4は、ともに円筒状の形状をなしている。
【0018】
スターリング冷凍機1の冷熱移送装置(以下、単に「冷熱移送装置」ともいう)10は、熱伝達手段であるヒートパイプ11を備えてなるものである。ヒートパイプ11は、その内部に作動流体を封入してあり、凝縮部20と、蒸発部30と、液体流路40と、蒸気流路50とを備えて構成してある。ここに、作動流体としては、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1の冷熱部3からの冷熱では凍らない不凍冷媒が用いられている。
【0019】
凝縮部20は、スターリング冷凍機1の冷熱部3に熱的に接続してある。より詳細に説明すると、凝縮部20は、スターリング冷凍機1の冷熱部3よりも径の大きい円筒状の形状をなしており、その内部に作動流体の流路(図示せず)が形成してある。そして、凝縮部20は、伝熱ブロック61が介在した状態で冷熱部3に熱的に接続してある。この凝縮部20では、冷熱部3から得た冷熱により、作動流体が凝縮される。また、伝熱ブロック61は、例えば銅等の金属のような熱伝導率の高い物質から形成されたものであり、冷熱部3の先端面3aおよび側周面3bからの冷熱を凝縮部20に伝達するものである。
【0020】
蒸発部30は、自動販売機2における所定の冷却部位、例えば商品を収容する収容庫の下部等に配設してある。より詳細に説明すると、蒸発部30は、その内部に作動流体の流路31が形成してあるとともに、その外部に熱交換用フィン32が設けられている。この蒸発部30では、熱交換用フィン32を介して外気から得た熱により流路31を流れる作動流体が気化される。換言すると、蒸発部30の周辺領域は、作動流体が気化することによって熱が奪われることになり、冷却される。そして、図2に示したように、ファンFを利用して冷却された冷気を被冷却物に送り込むことにより、該被冷却物が冷却されることになる。
【0021】
液体流路40は、凝縮部20と蒸発部30とを繋ぐ流路である。この液体流路40は、凝縮部20で凝縮された作動流体を、凝縮部20から蒸発部30まで移動させるためのものである。蒸気流路50は、上記液体流路40とは別個に、凝縮部20と蒸発部30とを繋ぐ流路である。この蒸気流路50は、蒸発部30で気化された作動流体を、蒸発部30から凝縮部20まで移動させるためのものである。それら液体流路40と蒸気流路50との配置関係は、蒸気流路50が液体流路40の上方に位置するようになっている。これは、蒸気流路50を通る作動流体の密度の方が、液体流路40を通る作動流体の密度よりも小さいためである。従って、図3(a)および(b)に示したように、蒸気流路50は、凝縮部20の上部の先端側にヘッダ(図示せず)を介して接続してある一方、液体流路40は、該凝縮部20の下部の先端側にヘッダ(図示せず)を介して接続してある。これにより、凝縮部20の内部の流路を作動流体は、その重力によって流れることができる。
【0022】
このようなヒートパイプ11は、上述のように、液体流路40と蒸気流路50とが別個に設けられており、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。
【0023】
以上のような構成を有する冷熱移送装置10は、次のようにしてスターリング冷凍機1の冷熱部3から得た冷熱を、ヒートパイプ11によって自動販売機2における所定の冷却部位に移送する。
【0024】
かかる冷熱の移送の前提として、スターリング冷凍機1を稼動させる必要がある。スターリング冷凍機1を稼動させると、該スターリング冷凍機1は、低温の冷熱部3と、高温の高熱部4とを発生する。
【0025】
スターリング冷凍機1の冷熱部3に熱的に接続している凝縮部20においては、蒸気である作動流体(気体状態)が該冷熱部3から得た冷熱により急激に冷却され、凝縮される。これにより、該作動流体は、凝縮液(液体状態)になる。そうすると、凝縮液になった作動流体は、蒸気のときに比してその密度が大きくなるため、その重力により下方に向かって流れる。そして、凝縮液である作動流体は、液体流路40を通じて蒸発部30まで移動することになる。
【0026】
所定の冷却部位に配設してある蒸発部30においては、凝縮液である作動流体(液体状態)は、熱交換用フィン32を介して外気から得た熱により気化され、蒸気(気体状態)になる。換言すると、蒸発部30の周辺領域の外気は、作動流体が気化されることにより、熱が奪われて冷却される。その結果、ファンFを利用して冷却された外気を収容庫等に送り込むことにより、該収容庫内の商品を冷却することができる。つまり、スターリング冷凍機1の冷熱部3から得た冷熱は、所定の冷却部位(収容庫下部)まで移送されたことになる。
【0027】
一方、蒸気になった作動流体は、凝縮液のときに比してその密度が小さくなるため、上方に向かって流れる。そして、蒸気である作動流体は、蒸気流路50を通じて凝縮部20まで移動することになる。このようにして凝縮部20に移動した作動流体は、再び凝縮され、上記の相変化を繰り返すことになる。
【0028】
このように作動流体を相変化させながら、上記凝縮部20、液体流路40、蒸発部30および蒸気流路50の間を循環させることにより、スターリング冷凍機1の冷熱部3から得た冷熱を所定の冷却部位に移送することができる。
【0029】
以上のような冷熱移送装置10によれば、ヒートパイプ11は、作動流体を相変化させながら、凝縮部20、液体流路40、蒸発部30および蒸気流路50の間を循環させてスターリング冷凍機1の冷熱部3から得た冷熱を移送するので、該冷熱部3から得た冷熱と、移送された冷熱との温度差を極めて低いものにすることができる。従って、冷熱部3から得た冷熱を所定の冷却部位まで効率よく移送することができる。また、液体流路40と蒸気流路50とが別個に設けてあるので、凝縮部20で凝縮された作動流体と、蒸発部30で気化された作動流体とが衝突することが無く、安定的に冷熱部3から得た冷熱を移送することができる。更に、作動流体の循環は、該作動流体の各種状態における重力差に基づき行われているので、作動流体を循環させるための駆動手段を必要とせず、該ヒートパイプ11に要するコストは高いものにならない。
【0030】
また、冷熱移送装置10によれば、スターリング冷凍機1の冷熱部3と、ヒートパイプ11の凝縮部20とは、伝熱ブロック61を介在させて熱的に接続してあるので、該伝熱ブロック61の存在により該冷熱部3の表面積、すなわち伝熱面積を拡大することができる。これにより、凝縮部20において、作動流体の凝縮時の熱抵抗を低減させることができ、該凝縮部20における熱交換率を高くすることができる。
【0031】
以上、本発明の実施の形態1について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。以下に、本発明の実施の形態1についての種々の変形例について説明する。
【0032】
図4および図5は、本発明の実施の形態1に係るヒートパイプの変形例を示したものであり、ともに(a)は断面側面図であり、(b)は(a)のX−X線断面図である。
【0033】
図4においては、凝縮部20は、上述したように、円筒状の形状をなしており、伝熱ブロック(図示せず)を介在させてスターリング冷凍機1の冷熱部3に熱的に接続してある。この凝縮部20の内部には、作動流体の流路(図示せず)が形成してある。このような凝縮部20の上部には、その先端側(図4(a)中の右側)および基端側(図4(a)中の左側)に蒸気流路50がヘッダ62を介して接続してある。より詳細に説明すると、凝縮部20の上部には、その先端側および基端側の双方から蒸気流路50からの作動流体が流入するようにしてある。この蒸気流路50は途中で分岐されている。
【0034】
一方、凝縮部20の下部には、その先端側および基端側に液体流路が接続してある。より詳細に説明すると、凝縮部の下部には、その先端側および基端側に液体流路40がヘッダ63を介して接続してある。つまり、凝縮部20の下部には、その先端側および基端側の双方から凝縮液になった作動流体が液体流路40a,40bに流出するようにしてある。これら液体流路40a,40bは、途中で合流して液体流路40になる。
【0035】
このような構成によれば、蒸気流路50からの作動流体を凝縮部20の先端側および基端側から作動流体を該凝縮部20の流路に均一に流入させることができる。これにより、スターリング冷凍機1の冷熱部3の側周面全体から確実に冷熱を得ることができる。従って、凝縮部20における熱交換率を高くすることができる。
【0036】
図5においては、凝縮部20は、上述したように、円筒状の形状をなしており、伝熱ブロック(図示せず)を介在させてスターリング冷凍機1の冷熱部3に熱的に接続してある。この凝縮部20の内部には、作動流体の流路(図示せず)が形成してある。このような凝縮部20の上部および下部には、該凝縮部20の流路に作動流体が均一に流入され、かつ該流路から流出されるよう、蒸気流路50および液体流路40がヘッダ64,65を介して接続してある。
【0037】
このような構成によっても、蒸気流路50からの作動流体を凝縮部20の流路に均一に流入させることができ、これにより、凝縮部20における熱交換率を高くすることができる。
【0038】
また、上述の蒸気流路50は一つであったが、一般に蒸気の作動流体の方が凝縮液の作動流体に比して流速が大きいので、蒸気流路は二つあっても良い。このように蒸気流路が二つある場合には、図3(c)、図4(c)および図5(c)に示したように、各蒸気流路51を凝縮部20の上部に接続すれば良い。
【0039】
図6〜図8は、本発明の実施の形態1における伝熱ブロックの変形例を示したものである。図6および図7においては、スターリング冷凍機1の冷熱部3の先端面3aを覆う伝熱ブロック66,67に切削部66a,67aを形成してある。このように、切削部66a,67aを形成することにより、伝熱ブロック66,67自身の熱容量を小さくすることができる。その結果、スターリング冷凍機1の冷熱部3と、凝縮部20の作動流体との熱交換率を高くすることができる。
【0040】
図8においては、伝熱ブロック68の形態は、上記実施の形態1に係る伝熱ブロック61の形態と変わらない。ヒートパイプ11の凝縮部21は、円筒部21aと平面部21bとを備えて構成してある。円筒部21aは、上記実施の形態1に係る凝縮部20と同様のものであり、スターリング冷凍機1の冷熱部3の側周面3bに対応した円筒状の形状をなしているものである。平面部21bは、スターリング冷凍機1の冷熱部3の先端面3aに対応しており、円形の平板状の形状を成している。このように、凝縮部21が平面部21bを有していることにより、スターリング冷凍機1の冷熱部3の先端面3aからも効果的に冷熱を得ることができ、該冷熱部3と、凝縮部21の作動流体との熱交換率を高くすることができる。
【0041】
図9は、本発明の実施の形態1における凝縮部の流路の変形例を示したものであり、(a)は凝縮部の流路の拡大断面図であり、(b)は(a)における凝縮部を展開して簡略的に示した展開図である。この図9においては、凝縮部22は、その内部の作動流体の流路221において、伝熱ブロック61に接する側、すなわちスターリング冷凍機1の冷熱部3に接する側の内側壁面222にピンフィン(凸状体)223を複数形成してある。これにより、該凝縮部22における作動流体に対する伝熱面積を拡大することができる。また、ピンフィン223を複数形成してあるが、作動流体の流路221は確保されているため、作動流体の流れに対する抵抗はそれほど大きいものにはならない。従って、冷熱部3と、凝縮部22の流路221を流れる作動流体との熱交換率を高くすることができる。
【0042】
図10は、図9と同様に、本発明の実施の形態1における凝縮部の流路の変形例を示しており、(a)は凝縮部を適当な個所で縦に切断して示された縦断面図であり、(b)は(a)における凝縮部を展開して簡略的に示した展開図である。この図10において、凝縮部23は、その内部において、該凝縮部23の横方向、すなわち該凝縮部23の先端側から基端側に向かう方向に複数のフィン231が並ぶよう形成してある。そして、これらフィン231の間に作動流体の流路232が形成してある。これにより、該凝縮部23における作動流体に対する伝熱面積を拡大することができる。従って、冷熱部3と、凝縮部23の流路232を流れる作動流体との熱交換率を高くすることができる。また、凝縮部24は、図11に示すように、各フィン241の表面を凹凸状にしても良い。これにより該フィン241の表面積を大きくすることができる結果、凝縮部24における作動流体に対する伝熱面積を拡大することができる。
【0043】
<実施の形態2>
図12は、本発明の実施の形態2に係るスターリング冷凍機の冷熱移送装置を簡単に示した説明図である。尚、上述の実施の形態1に係るスターリング冷凍機1の冷熱移送装置10と同一の構成を有するものには、同一の符号を付してその説明を省略する。この図12において、スターリング冷凍機1の冷熱移送装置70は、複数(2つ)の熱伝達手段であるヒートパイプを備えてなるもの、すなわち第1ヒートパイプ12と、第2ヒートパイプ13とを備えてなるものである。第1ヒートパイプ12および第2ヒートパイプ13は、それぞれ、凝縮部25a,25bと、蒸発部34,35と、液体流路40と、蒸気流路50とを備えて構成してある。
【0044】
第1ヒートパイプ12および第2ヒートパイプ13のそれぞれの凝縮部25a,25bは、スターリング冷凍機1の冷熱部3に熱的に接続してある。より詳細に説明すると、それぞれの凝縮部25a,25bは、冷熱部3よりも径の大きい半円筒状の形状をなしており、内部に作動流体の流路(図示せず)が形成してある。そして、それぞれの凝縮部25a,25bは、伝熱ブロック61を介在させて冷熱部3に熱的に接続してある。それぞれの凝縮部25a,25bでは、該冷熱部3から得た冷熱により作動流体が凝縮される。また、それぞれの凝縮部25a,25bは、図13に示したように、アクチュエータ71,72により移動可能な態様になっている。つまり、それぞれの凝縮部25a,25bは、冷熱部3に対して分離可能な態様になっている。
【0045】
第1ヒートパイプ12および第2ヒートパイプ13のそれぞれの蒸発部34,35は、自動販売機における所定の部位、例えば商品を収容する収容庫の下部に配設してある。かかる蒸発部34,35の機能等については、上述の実施の形態1における蒸発部30と同じである。
【0046】
以上のような構成のスターリング冷凍機1の冷熱移送装置70においては、例えば第2ヒートパイプ13の蒸発部35の冷却対象となっている収容庫の商品は冷却させる必要がない場合、アクチュエータ72を駆動させて該第2ヒートパイプ13の凝縮部25bをスターリング冷凍機1の冷熱部3から分離させる。そうすることにより、スターリング冷凍機1が稼動していても第2ヒートパイプ13が冷熱を移送することはない。これにより、第2ヒートパイプ13の蒸発部35を配設してある収容庫の商品が冷却されることはない。
【0047】
一方、第1ヒートパイプ12および第2ヒートパイプ13のそれぞれの蒸発部34,35の冷却対象である収容庫の商品を冷却させる必要がある場合には、アクチュエータ71,72を駆動させてそれぞれの凝縮部25a,25bをスターリング冷凍機1の冷熱部3に熱的に接続させる。そうすることにより、冷熱部3で得た冷熱を各収容庫に移送することができる。その結果、各収容庫に収容された商品を冷却することができる。
【0048】
<実施の形態3>
図14は、本発明の実施の形態3に係るスターリング冷凍機の冷熱移送装置を構成するヒートパイプの要部を示したものであり、(a)は側面図であり、(b)は(a)におけるX−X線断面図である。尚、上述の実施の形態1に係るスターリング冷凍機1の冷熱移送装置10と同一の構成を有するものには、同一の符号を付してその説明を省略する。この図14において、スターリング冷凍機1の冷熱移送装置は、熱伝達手段としてのヒートパイプ14を備えてなるものである。このヒートパイプ14は、凝縮部26と、蒸発部30と、液体流路40と、蒸気流路50とを備えて構成してある。
【0049】
凝縮部26は、図14に示したように、上側凝縮部27と、下側凝縮部28とにより構成してある。上側凝縮部27は、スターリング冷凍機1の冷熱部3の上側側周面に対応するよう半円筒状の形状をなしている。この上側凝縮部27は、図示しない伝熱ブロックを介在させて冷熱部3に熱的に接続してある。上側凝縮部27は、その上部には一つの蒸気流路52がヘッダ73を介して接続してあり、その下部には二つの液体流路41,42がヘッダ74,75を介して接続してある。
【0050】
下側凝縮部28は、スターリング冷凍機1の冷熱部3の下側側周面に対応するよう半円筒状の形状をなしている。この下側凝縮部28には、図示しない伝熱ブロックを介在させて冷熱部3に接続してある。下側凝縮部28は、その上部には、途中で分岐した二つの蒸気流路53,54がヘッダ76,77を介して接続してあり、その下部には一つの液体流路43がヘッダ78を介して接続してある。ここに、蒸気流路52,53,54は、図示はしていないが、蒸気流路50が途中で三つに分岐したものである。また、上側凝縮部27および下側凝縮部28に接続してある液体流路41,42,43は、図示はしていないが、途中で合流して液体流路40になっている。
【0051】
図15は、上側凝縮部および下側凝縮部の断面を示しており、(a)は上側凝縮部の断面であり、図14(b)におけるA−A線断面図であり、(b)は下側凝縮部の断面であり、図14(b)におけるB−B線断面図である。
【0052】
上側凝縮部27には、図15(a)に示したように、内側壁(第1の壁)271と、外側壁(第2の壁)272との間に複数の上側柱状部273が設けられて作動流体の流路274を形成してある。ここに、内側壁271は、図示しない伝熱ブロックを介してスターリング冷凍機1の冷熱部3に接している壁である。この上側凝縮部27において、複数の上側柱状部273は、その厚みを十分に大きくしてある。
【0053】
下側凝縮部28には、図15(b)に示したように、内側壁(第3の壁)281と、外側壁282との間に複数の下側柱状部283が設けられて作動流体の流路284を形成してある。この下側凝縮部28において、内側壁281および外側壁282のそれぞれの厚みは、上側凝縮部27を構成する内側壁271および外側壁272のそれぞれの厚みに比して小さくなっている。また、下側柱状部283のそれぞれの厚みは、上側柱状部273の厚みに比して小さくなっている。そのため、下側凝縮部28におけるそれぞれの流路284は、上側凝縮部27のそれぞれの流路274に比して、内側壁281と外側壁282との離間距離が大きくなっており、容積が大きくなっている。
【0054】
図16は、図15における流路の作動流体の流れのメカニズムを示した図であり、(a)は上側凝縮部に関し、(b)は下側凝縮部に関するものである。この図16を用いて説明すると次のようになる。
【0055】
以上のような構成のスターリング冷凍機1の冷熱移送装置によれば、上側柱状部273の厚みが十分に大きいので、内側壁271を介して冷熱部3から得た冷熱を外側壁272に十分に伝達することができる。従って、上側凝縮部27においては、図16(a)に示したように、冷熱部3から得た冷熱と熱交換されて凝縮液となった作動流体が、その重力と表面張力とにより内側壁271の表面を覆うようになっても、外側壁272にも十分に冷熱が伝達されているため作動流体が凝縮される。以上から、上側柱状部273は、冷熱部3と接しない壁である外側壁272に対して該冷熱部3から得た冷熱を伝達する冷熱伝達手段を構成している。
【0056】
一方、下側凝縮部28においては、図16(b)に示したように、冷熱部3から得た冷熱と熱交換されて凝縮液となった作動流体が、その重力と表面張力とにより外側壁282の表面を覆うようになる。ところが、それぞれの流路284における内側壁281と外側壁282との距離が大きくなっているため、外側壁282を覆った凝縮液が内側壁281に到達する虞れはない。つまり、下側凝縮部28には、蒸気の状態である作動流体と、冷熱部3に接する壁である内側壁281との間に間隙が存在することになる。かかる間隙の存在により、最も冷熱の伝達能力の高い内側壁281で積極的に作動流体が凝縮され、熱交換率を高くすることができる。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に記載の発明によれば、熱伝達手段が作動流体を相変化させながら、凝縮部、液体流路、蒸発部および蒸気流路の間を循環させてスターリング冷凍機の冷熱部から得た冷熱を移送するので、該冷熱部から得た冷熱と、移送された冷熱との温度差を極めて低いものにすることができ、冷熱部から得た冷熱を所定の冷却部位まで効率よく移送することができる。しかも、蒸気流路からの作動流体を凝縮部の先端側および基端側から該凝縮部の流路に均一に流入させることができ、これによりスターリング冷凍機の冷熱部の側周面全体から確実に冷熱を得ることができる。従って、凝縮部における熱交換率を高くすることができる。また、凝縮部の内部を作動流体がその重力によって移動できるよう、蒸気流路および液体流路を接続してあるので、作動流体を循環させるための駆動手段を必要としない。
【0058】
また、請求項2に記載の発明によれば、各熱伝達手段を構成する凝縮部が冷熱部と分離可能な態様で接続してあり、各熱伝達手段が冷熱を移送する冷却部位のうちいずれかの冷却部位が冷却を要しない場合には、該冷却部位に対応する熱伝達手段の凝縮部をスターリング冷凍機の冷熱部から離隔させるので、該冷却部位に冷熱を移送することがない。
【0059】
また、請求項3に記載の発明によれば、各熱伝達手段を構成する凝縮部が冷熱部と分離可能な態様で接続してあり、アクチュエータが各冷却部位の冷却の要否に応じて、各熱伝達手段の凝縮部を、スターリング冷凍機の冷熱部に熱的に接続、あるいは離隔させるので、冷却を要する冷却部位に対しては冷熱の移送を確実に行うことができるとともに、冷却を要しない冷却部位に対しては冷熱を移送することがない。
【0060】
また、請求項4に記載の発明によれば、スターリング冷凍機の冷熱部と、凝縮との間に伝熱ブロックを介在させたので、該伝熱ブロックの存在により冷熱部の表面積、すなわち伝熱面積を拡大することができる。これにより、凝縮部において、作動流体の凝縮時の熱抵抗を低減させることができ、該凝縮部における熱交換率を高くすることができる。
【0061】
また、請求項5に記載の発明によれば、凝縮部の内部には、該凝縮部の先端側から基端側に向かう方向に複数のフィンを並設し、これらフィンの間に作動流体の流路を形成するとともに、前記フィンの表面を凹凸状にしたので、該凝縮部における作動流体に対する伝熱面積を拡大することができ、冷熱部と、凝縮部の流路を流れる作動流体との熱交換率を高くすることができ、しかもフィンの表面を凹凸状にしたことにより該フィンの表面積を大きくすることができる結果、凝縮部における作動流体に対する伝熱面積を拡大することができる。
【0062】
また、請求項6に記載の発明によれば、各熱伝達手段を構成する凝縮部が冷熱部と分離可能な態様で接続してあるので、所定の冷却部位が冷却する必要がない場合には、該当する凝縮部を冷熱部から分離させることができる。これにより、かかる所定の冷却部位には冷熱を移送することがない。
【0063】
また、請求項7に記載の発明によれば、アクチュエータが各冷却部位の冷却の要否に応じて、各熱伝達手段の凝縮部を、スターリング冷凍機の冷熱部に熱的に接続、あるいは離隔させるので、冷却を要する冷却部位に対しては冷熱の移送を確実に行うことができるとともに、冷却を要しない冷却部位に対しては冷熱を移送することがない。
【0064】
また、請求項8に記載の発明によれば、凝縮部が互いに分離可能な上側凝縮部と下側凝縮部とを有し、該上側凝縮部および下側凝縮部のそれぞれには、個別に作動流体がその重力によって移動できるよう、蒸気流路および液体流路を接続してあるので、作動流体を循環させるための駆動手段を必要としない。
【0065】
また、請求項9に記載の発明によれば、上側凝縮部において、冷熱伝達手段が冷熱部と接しない第2の壁にスターリング冷凍機の冷熱部から得た冷熱を伝達する。これにより、該冷熱部から得た冷熱と熱交換されて凝縮液となった作動流体が、その重力と表面張力とにより該冷熱部と接した第1の壁の表面を覆うようになっても、第2の壁にも十分に冷熱が伝達されているため作動流体を良好に冷却することができる。これにより作動流体は凝縮されることになる。一方、下側凝縮部の内部は、少なくともスターリング冷凍機が稼動中においては、第3の壁と、凝縮された作動流体との間に間隙が存在することができる大きさの容積を有しているので、最も冷熱能力の高い第3の壁で積極的に作動流体が凝縮され、熱交換率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係るスターリング冷凍機の冷熱移送装置を示した説明図である。
【図2】図1におけるスターリング冷凍機の冷熱移送装置を簡単に示した説明図である。
【図3】図1におけるヒートパイプを構成する凝縮部を示した図であり、(a)は断面側面図、(b)は(a)におけるX−X線断面図、(c)は他の変形例を示した断面図である。
【図4】本発明の実施の形態1におけるヒートパイプを構成する凝縮部を示した図であり、(a)は断面側面図、(b)は(a)におけるX−X線断面図、(c)は他の変形例を示した断面図である。
【図5】本発明の実施の形態1におけるヒートパイプを構成する凝縮部を示した図であり、(a)は断面側面図、(b)は(a)におけるX−X線断面図、(c)は他の変形例を示した断面図である。
【図6】本発明の実施の形態1における伝熱ブロックの変形例を示した断面図である。
【図7】本発明の実施の形態1における伝熱ブロックの変形例を示した断面図である。
【図8】本発明の実施の形態1における伝熱ブロックの変形例を示した断面図である。
【図9】本発明の実施の形態1における凝縮部の流路の変形例を示したものであり、(a)は凝縮部の流路の拡大断面図であり、(b)は(a)における凝縮部を展開して簡略的に示した展開図である。
【図10】本発明の実施の形態1における凝縮部の流路の変形例を示したものであり、(a)は凝縮部を適当な個所で縦に切断して示された縦断面図であり、(b)は(a)における凝縮部を展開して簡略的に示した展開図である。
【図11】図10に示した凝縮部の他の変形例を示した図である。
【図12】本発明の実施の形態2に係るスターリング冷凍機の冷熱移送装置を簡単に示した説明図である。
【図13】図12における凝縮部の分離可能状態を示した説明図である。
【図14】本発明の実施の形態3に係るスターリング冷凍機の冷熱移送装置を構成するヒートパイプの要部を示した図である。
【図15】上側凝縮部および下側凝縮部の断面を示したものであり、(a)は図14(b)におけるA−A線断面図であり、(b)は図14(b)におけるB−B線断面図である。
【図16】図15における流路の作動流体の流れのメカニズムを示した図であり、(a)は上側凝縮部に関し、(b)は下側凝縮部に関するものである。
【符号の説明】
1 スターリング冷凍機
2 自動販売機
3 冷熱部
4 高熱部
10,70 冷熱移送装置
11,12,13,14 ヒートパイプ
20,21,22,23,24,25a,25b 凝縮部
30,34,35 蒸発部
31 流路
32 熱交換用フィン
40 液体流路
50 蒸気流路
61,66,67,68 伝熱ブロック
66a,67a 切削部
71,72 アクチュエータ
221 流路
222,232 内側壁
223 ピンフィン
231,241 フィン
Claims (9)
- 横置きに載置されたスターリング冷凍機の円筒状の冷熱部から得た冷熱を、作動流体を備えた熱伝達手段によって所定の冷却部位に移送するようにしたスターリング冷凍機の冷熱移送装置において、
前記熱伝達手段は、前記冷熱部と熱的に接続させた凝縮部と、前記冷却部位に配設した蒸発部と、前記凝縮部で凝縮された作動流体を前記蒸発部まで移動させるための液体流路と、前記蒸発部で気化された作動流体を前記凝縮部まで移動させるための蒸気流路とを備えて前記作動流体を相変化させながら循環させるものであり、
前記凝縮部が前記冷熱部の周囲を覆う形態をなし、前記凝縮部の内部を前記作動流体がその重力によって移動できるよう、前記蒸気流路を途中で分岐させて前記凝縮器の上部の先端側および基端側に接続する一方、前記液体流路を途中で分岐させて前記凝縮部の下部の先端側および基端側に接続することにより、前記凝縮部の上部の先端側および基端側の双方から前記蒸気流路からの作動流体を流入させるとともに、前記凝縮部の下部の先端側および基端側の双方から凝縮液になった作動流体が前記液体流路に流出するようにしたことを特徴とするスターリング冷凍機の冷熱移送装置。 - スターリング冷凍機の冷熱部から得た冷熱を、作動流体を備えた複数の熱伝達手段によって所定の冷却部位に移送するようにしたスターリング冷凍機の冷熱移送装置において、
前記複数の熱伝達手段は、前記冷熱部と熱的に接続させた凝縮部と、前記冷却部位に配設した蒸発部と、前記凝縮部で凝縮された作動流体を前記蒸発部まで移動させるための液体流路と、前記蒸発部で気化された作動流体を前記凝縮部まで移動させるための蒸気流路とを備えて前記作動流体を相変化させながら循環させるものであり、
各熱伝達手段を構成する凝縮部を前記冷熱部と分離可能な態様で熱的に接続し、
前記各熱伝達手段が冷熱を移送する冷却部位のうち、いずれかの冷却部位が冷却を要しない場合には、該冷却部位に対応する熱伝達手段の凝縮部を前記冷熱部から離隔させたことを特徴とするスターリング冷凍機の冷熱移送装置。 - スターリング冷凍機の冷熱部から得た冷熱を、作動流体を備えた複数の熱伝達手段によって所定の冷却部位に移送するようにしたスターリング冷凍機の冷熱移送装置において、
前記複数の熱伝達手段は、前記冷熱部と熱的に接続させた凝縮部と、前記冷却部位に配設した蒸発部と、前記凝縮部で凝縮された作動流体を前記蒸発部まで移動させるための液体流路と、前記蒸発部で気化された作動流体を前記凝縮部まで移動させるための蒸気流路とを備えて前記作動流体を相変化させながら循環させるものであり、
各熱伝達手段を構成する凝縮部を前記冷熱部と分離可能な態様で熱的に接続し、
前記各熱伝達手段が冷熱を移送する冷却部位の冷却の要否に応じて、それぞれの凝縮部を前記冷熱部に対して熱的に接続、あるいは離隔させるためのアクチュエータを備えたことを特徴とするスターリング冷凍機の冷熱移送装置。 - 前記凝縮部と前記冷熱部との間に伝熱ブロックを介在させたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載のスターリング冷凍機の冷熱移送装置。
- 前記凝縮部の内部には、該凝縮部の先端側から基端側に向かう方向に複数のフィンを並設し、これらフィンの間に作動流体の流路を形成するとともに、前記フィンの表面を凹凸状にしたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載のスターリング冷凍機の冷熱移送装置。
- 前記熱伝達手段を複数有し、各熱伝達手段を構成する凝縮部を、前記冷熱部と分離可能な態様で熱的に接続したことを特徴とする請求項1、請求項4または請求項5に記載のスターリング冷凍機の冷熱移送装置。
- 前記各熱伝達手段が冷熱を移送する冷却部位の冷却の要否に応じて、前記各熱伝達手段の凝縮部を前記冷熱部に対して熱的に接続、あるいは離隔させるためのアクチュエータを備えたことを特徴とする請求項2に記載のスターリング冷凍機の冷熱移送装置。
- 前記凝縮部は、互いに分離可能な上側凝縮部と下側凝縮部とを有し、前記上側凝縮部および下側凝縮部のそれぞれには、個別に作動流体がその重力によって移動できるよう、前記蒸気流路および液体流路を接続したことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載のスターリング冷凍機の冷熱移送装置。
- 前記上側凝縮部の内部には、前記冷熱部に接する側の第1の壁と、該第1の壁に対向する第2の壁との間に、前記冷熱部から得た冷熱を前記第2の壁に伝達する冷熱伝達手段を備え、
前記下側凝縮部の内部は、少なくとも前記スターリング冷凍機が稼動中においては、前記冷熱部に接する側の第3の壁と、凝縮された作動流体との間に間隙が存在することができる大きさの容積を有したことを特徴とする請求項8に記載のスターリング冷凍機の冷熱移送装置。
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