(57)【要約】【課題】単純な構成で高い冷却性能を維持できる蓄冷庫を提供する。【解決手段】実施形態にかかる蓄冷装置は、蓄冷材を収容する容器と、前記蓄冷材を冷却する冷却部と、前記冷却部と前記蓄冷材との間で複数往復して配される管路と、前記管路内に封入された作動流体と、を備え、前記蓄冷材から前記冷却部へ熱輸送する機能を有する自励振動ヒートパイプと、を備える。【選択図】図１
2014102031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄冷材を収容する容器と、
前記蓄冷材を冷却する冷却部と、
前記冷却部と前記蓄冷材との間で複数往復して配される管路と、前記管路内に封入された作動流体と、を備え、前記蓄冷材から前記冷却部へ熱輸送する機能を有する自励振動ヒートパイプと、を備えたことを特徴とする蓄冷装置。
【請求項２】
前記冷却部は前記蓄冷材の上方に配され、
前記作動流体は、前記受熱部にて蒸発し、前記放熱部にて凝縮し、圧力振動を発生させて熱輸送を行い、
ボトムヒートの場合には前記管路の高低差による重力で前記蒸発した作動流体が上位へ移動することで熱輸送し、トップヒートの場合には重力により前記作動流体の動作方向が規制されることで、前記自励振動ヒートパイプによる熱輸送の方向を制御することを特徴とする請求項１記載の蓄冷装置。
【請求項３】
前記冷却部は、放射冷却により前記蓄冷材を冷却することを特徴とする請求項２記載の蓄冷装置。
【請求項４】
前記冷却部は、電力を供給する電源部と、前記電源部からの電力によって温度変化を生じさせるペルチェ素子と、を備え、電子冷凍により前記を冷却するたことを特徴とする請求項２記載の蓄冷装置。
【請求項５】
前記冷却部は対流を発生させる対流発生手段と、対流の通路と、を備え、対流により前記蓄冷材を冷却することを特徴とする請求項２記載の蓄冷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄冷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄冷装置として、例えば対流や放射冷却を利用して庫内の飲料や食物等を冷却する冷蔵庫が研究されている。例えば断熱性の高い外部容器内を水で充填し、外部容器の上面に水と直接接触した状態で放熱板等の冷却手段を設けている。外部容器内において水に囲まれた状態で内部容器を設置し、夜間の放射冷却により内部容器を冷却する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の構造では、水と放熱板とは直接接触しており、例えば昼間に外気の温度が上昇した場合、外部から熱が伝わるため、高い冷却性能を確保することが困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
実施形態にかかる蓄冷装置は、蓄冷材を収容する容器と、前記蓄冷材を冷却する冷却部と、前記冷却部と前記蓄冷材との間で複数往復して配される管路と、前記管路内に封入された作動流体と、を備え、前記蓄冷材から前記冷却部へ熱輸送する機能を有する自励振動ヒートパイプと、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
実施形態によれば、単純な構成で高い冷却効率を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の一実施形態にかかる蓄冷庫の構造を一部切欠して示す斜視図。
【図２】同蓄冷庫の自励振動ヒートパイプの内部構造を示す説明図。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる蓄冷庫の構造を示す断面図。
【図４】本発明の第３実施形態にかかる蓄冷庫の構造を一部切欠して示す斜視図。
【図５】本発明の第４実施形態にかかる蓄冷庫の構造を一部切欠して示す斜視図。
【図６】本発明の第５実施形態にかかる蓄冷庫を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明の一実施形態かかる蓄冷庫１（蓄冷装置）について、図１及び図２を参照して説明する。各図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ互いに直交する３方向を示す。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。図１は蓄冷庫の構造を一部断面で示す斜視図であり、図２は自励振動ヒートパイプ１５の内部の構造及び動作を示す説明図である。
【０００８】
図１に示すように、蓄冷庫１は、容器１１と、容器１１内に充填される蓄冷材１２と、容器１１内にて蓄冷材１２に囲まれて設置された収納庫１３と、蓄冷材１２を冷却する冷却部１４と、蓄冷材１２から冷却部１４との間で熱輸送する自励振動ヒートパイプ１５と、を備えて構成されている。この蓄冷庫１は、例えば屋外に設置され収納庫１３内に収容された飲料や食物を冷やす冷蔵庫として用いられる。
【０００９】
容器１１は、上部開口の箱形状に構成された断熱容器２１と、収納庫１３と外部とを連通する開閉扉２２と、を備えて構成されている。断熱容器２１は、発泡ウレタンなどの断熱材から例えば５ｃｍ程度の厚さを有する底壁及び周壁を有し、所定の寸法に設定された箱状に構成されている。断熱容器２１の形状や大きさは必要な冷却性能で決まる熱容量に応じた蓄冷材１２の容積や設置スペース、太陽の向き等の条件に応じて決定される。この実施形態ではソーラーパネル２４に沿って傾斜している。
【００１０】
収納庫１３は例えば熱伝導性の高いＡｌ，Ｃｕなどの金属からなる箱体であって、内部に飲料や食べ物が収容可能な空間２３を形成している。収納庫１３の外面の大部分が蓄冷材１２に接触して囲まれており、蓄冷材１２が冷却されると収納庫１３も冷却されるようになっている。収納庫１３の一部は開閉扉２２を通じて外部に連通しており、内部の空間２３が開閉可能になっている。
【００１１】
蓄冷材１２は、断熱容器２１内において収納庫１３の周りに充填されている。蓄冷材１２としては例えば水や不凍液が用いられる。ここでは外部容器１１の高さの３/４程度まで蓄冷材１２で満たされている。
【００１２】
冷却部１４は、断熱容器２１の上部において、蓄冷材１２よりも上方に配され、上面開口を塞ぐように配されている。冷却部１４は、電力を供給する電源部としてのソーラーセルパネル２４と、放熱板２５と、ソーラーセルパネル２４からの電力によって温度変化を生じさせるペルチェ素子２６と、冷却板２７とが順に積層されて板状に構成され、太陽に向くように傾斜して配置されている。この冷却部１４は、電子冷凍機能を利用してヒートパイプ１５の上部を冷却する。電源部としてさらにバッテリー２８も設けられており、夜間に電子冷凍機能を利用することができる。
【００１３】
放熱板２５及び冷却板２７は例えばＡｌやＣｕ等の熱伝導性の高い金属板で構成され、上面開口に対応する板状に構成されている。ペルチェ素子２６の外部側（上側）に放熱板２５、内部側（下側）に冷却板２７が接触して配置されている。ペルチェ素子２６は電力供給により駆動されると温度差を生じ、放熱板２５側が高温に、冷却板２７側が低温になるように構成されている。
【００１４】
電力によって放熱板２５の温度を上げ、冷却板２７の温度を下げることによって、冷却板２７に接触して配されたヒートパイプ１５の上部の上管路３１ａを冷却する。なお、容器１１の冷却部１４（冷却面）と蓄冷材１２の液面１２ａとは離間しており直接接触しないように設定されている。
【００１５】
自励振動ヒートパイプ１５は、冷却部１４と蓄冷材１２との間で複数往復して配される管路３１と、前記管路３１内に封入された作動流体３２と、を有して構成されている。この自励振動ヒートパイプ１５は、温度変化によって生じる圧力変動により自励的に発生する圧力振動で作動流体３２を駆動するヒートパイプである。
【００１６】
ヒートパイプ１５は一本の長い管路３１からなり、この管路３１が蓄冷材１２と冷却部１４とにわたって複数回往復して配されて構成されている。ヒートパイプ１５の両端は内部が互いに連通されてループ状になっており、循環する一つの流路を構成している。
【００１７】
本実施形態では管路３１はコイル状に複数巻回された形状とし、冷却部１４の冷却板２７の内側面に接触して配置され互いにほぼ平行に複数並列した上部管３１ａと、蓄冷材１２内に配され互いにほぼ平行に複数並列した下部管３１ｂと、上部管３１ａと下部管３１ｂを接続するように鉛直に配され、互いにほぼ平行に複数並列した側部管３１ｃとを連続して備えている。
【００１８】
管路３１は例えば銅などの熱伝導性の金属で構成される断面円形状の細管である。管路３１は、毛細管現象により蒸気泡３２ａと液柱３２ｂとが管軸方向に交互に分布するように、直径５ｍｍ以下に設定する。
【００１９】
管路３１は、例えば材質：銅、外径：３mm、内径：２mmとした。図１に示す例では、ターン数：１０ターン（２０チャンネル）、配設ピッチＰ：２０ｍｍ、となるように配置し、内部の作動流体３２：R-134a、封入量割合：５３％とした。
【００２０】
作動流体３２は、受熱部にて蒸発し、放熱部にて凝縮し、圧力振動を発生させて熱輸送を行う。ここで、冷却部１４は蓄冷材１２の上方に配されており、ヒートパイプ１５の経路において高低差による重力が作用する。ボトムヒートの場合には管路３１の高低差による重力で蒸発した作動流体３２が上位へ移動することで熱輸送し、トップヒートの場合には重力により作動流体３２の動作方向が規制されるようになっている。したがって、このヒートパイプ１５によりサーマルダイオード効果が得られ、下から上への一方向にのみ熱輸送が行える。
【００２１】
図２は自励振動ヒートパイプ１５の管路３１の内部の状態を示す説明図である。自励振動ヒートパイプ１５の管路３１の内部には作動流体３２として、蒸気泡３２ａ（気体）と液柱３２ｂ（液体）とが分布している。作動流体３２は受熱部にて加熱により蒸発して蒸気泡３２ａとなり、放熱部での冷却により凝縮して液柱３２ｂとなる。すなわち、作動流体３２は受熱部で加熱されて気相リッチとなり、放熱部において冷却されて液相リッチとなる。液が多い部分では蒸発が優勢であるので圧力が高くなり、蒸気が多い部分では凝縮が優勢であるので圧力は低下する。一方、圧力が高い部分からは作動流体３２が流出するので液が減少し、圧力の低い部分では作動流体３２が流入するので液が増加する。このような圧力と液量との相互作用によって自励的に発生する圧力振動が持続し、熱輸送を行う。すなわち、蒸気泡３２ａと液柱３２ｂの圧力差により自励的に発生する圧力振動により、作動流体３２が継続的に管路３１内を移動することで、熱は潜熱として、受熱部から放熱部へ運ばれ、熱輸送が行われる。
【００２２】
以下、本実施形態にかかる蓄冷庫１の作用について図１乃至図３を参照して説明する。
【００２３】
屋外に設置された蓄冷庫１は、例えば昼間のソーラーセルパネル２４により電力を供給し、バッテリー２８に蓄電し、夜間にバッテリー２８より電力を供給してペルチェ素子２６を駆動すると温度差が生じ放熱板２５が高温、冷却板２７が低温となる。すると冷却板２７に接触して配置されたヒートパイプ１５の上部管３１ａが冷却される。夜間には太陽の入射光がなく、放射冷却効果によっても冷却部１４が冷やされため、冷却板２７に接触して配置されたヒートパイプ１５の上部管３１ａが効果的に冷却される。
【００２４】
ヒートパイプ１５の上部管３１ａが冷やされるボトムヒートの状態となると、図２に示すように、ヒートパイプ１５の上部が液層リッチとなり、下部が気相リッチとなるため、蒸気泡３２ａと液柱３２ｂの圧力差により自励的に圧力振動が発生する。この圧力振動により作動流体３２が継続的に管路３１内を移動することで、熱は潜熱として、蓄冷材１２側から冷却部１４側（外部）へ運ばれ、熱輸送が行われる。このため、蓄冷材１２が冷やされる。
【００２５】
一方、昼間の気温上昇により、外気の温度が高くなるトップヒートの場合には、ヒートパイプ１５の上部が気層リッチとなり、下部が液相リッチとなる。この場合には、蒸気泡３２ａと液柱３２ｂの圧力差は生じるが、重力の作用により、圧力振動は起こらず、熱輸送が規制される。このため、蓄冷材１２の加熱が抑えられる。
【００２６】
本実施形態では、ヒートパイプ１５を用いることにより冷却部１４と蓄冷材１２とを直接接触させない構造にすることができ、外部からの受熱を回避し、有効な冷却が可能となる。また、高低差を設けたヒートパイプ１５を用いることでサーマルダイオード効果（熱は下から上にしか流れない）が得られるため、蓄冷材１２への熱輸送を制限することで、蓄冷材の冷却状態を保ち、冷却性能を向上できる。
【００２７】
また、冷却部１４と蓄冷材１２とを直接接触させる必要がないため、冷却部１４は水平を含め角度の設定が自由である。特に冷却部１４を水平に設置する場合は地上の物体からの入射熱を少なくできるので、放射冷却が有効に行える。
【００２８】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。また、各部の具体的構成や材質等は上記実施形態に例示したものに限られるものではなく適宜変更可能である。
【００２９】
上記第１実施形態では、冷却部１４に自然空冷によるペルチェ素子２６を用いて電子冷凍手段を用いたが、これに限られるものではない。
【００３０】
例えば第２実施形態として図３に示す蓄冷庫１００（蓄冷装置）では、ペルチエ素子をファンによる強制対流を利用して冷却する構造とした。蓄冷庫１００において、容器１１の上部を断熱材で塞ぎ、上部壁１０１の外側に冷却部１４を設けるとともにソーラーセルパネル２４との間に外部と連通する通風路１０２（通路）を形成した。
【００３１】
さらに通風路１０２内に対流を促すファン１０３（対流発生手段）を設けるともに、通風路１０２内の冷却部１４の上側面に放熱を促す放熱フィン１０４を設置した。その他の構造及び作用は上記第１実施形態と同様であるため、対応する符番を付し、共通する説明を省略する。
【００３２】
蓄冷庫１００では、断熱容器２１の上面開口には同様に発泡ウレタンなどの断熱材で構成された上部壁１０１を設けた。上部壁１０１の外部と内部に亘って複数往復するように自励振動ヒートパイプ１５を配設し、このヒートパイプ１５の上部管３１ａ上に接触する放熱板２５、ペルチェ素子２６、冷却板２７を積層して配置した。
【００３３】
この実施形態では、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。さらにファン１０３及び通風路１０２の設定により対流を発生させて冷却効果を高めるとともに、フィン１０４で放熱効果を高めることができる。
【００３４】
例えば第３実施形態として図４に示す蓄冷庫２００（蓄冷装置）では、ソーラーセルパネル２４とペルチェ素子２６との設置面を異なる面とした。蓄冷庫２００では、容器１１上部に傾斜させてソーラーセルパネル２４を設置し、側面において鉛直に、放熱板２５、ペルチェ素子２６、及び冷却板２７を積層配置した。放熱板２５の背面には放熱フィン１０４を設置している。また、断熱容器２１の上面開口には第２実施形態と同様に発泡ウレタンなどの断熱材で構成された上部壁２０１を設けた。
【００３５】
また、ヒートパイプ１５は、冷却部１４に接して配される鉛直な上部管２３１ａと、蓄冷材１２内を通る水平な下部管２３１ｂを連続して有する側面視Ｌ字型であって、複数回往復して蛇行する形状とし、両端を接続してループ状に構成した。
【００３６】
その他の構造及び作用は上記第１実施形態と同様であるため、対応する符番を付し、共通する説明を省略する。
【００３７】
この実施形態においても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。さらに電気を得る面と放熱面とを区別することで、ソーラーセルパネル２４によって放熱が妨げられることを回避し、高い放熱効果を得られる。したがってソーラーセルパネル２４の厚さ等の制約が緩和でき、安価なものを用いることができる。
【００３８】
さらに、第４実施形態として図５に示す蓄冷庫３００（蓄冷装置）のように、冷却部１４を放熱板３２７で構成し、放射冷却によって冷却する構造としてもよい。
【００３９】
蓄冷庫３００では、断熱容器２１の上面開口に発泡ウレタンなどの断熱材で構成された上部壁３０１を設け、上部壁３０１の外部と内部に亘って複数往復するように自励振動ヒートパイプ１５を配設し、このヒートパイプ１５の上部管３１ａ上に接触する放熱板３２５を水平に配置した。その他の構造及び作用は上記第１実施形態と同様であるため、対応する符番を付し、共通する説明を省略する。
【００４０】
この実施形態においても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、蓄冷材１２と放熱板３２５とが直接接触しないことにより、外部の熱が蓄冷材１２に伝わりにくい構造にすることができる。またヒートパイプ１５のサーマルダイオード効果により熱を一方向に規制できるため、高い冷却効果が得られる。さらに冷却部１４を水平に設置することで、地上の物体からの入射熱を少なくできるので、放射冷却効果が高い。
【００４１】
また、他の実施形態として、図６に示す蓄冷庫４００のように、上部の冷却部１４を開閉扉４２２として構成してもよい。この場合には、可動となる開閉扉４２２に一体に設けられたヒートパイプ１５の下端を開閉軌跡に沿って断熱容器１１に干渉しないように円弧状に並ぶように構成してもよい。この場合にも上記各実施形態と同様の効果が得られる。
【００４２】
上記実施形態においては、重力の作用を利用してヒートパイプ１５のサーマルダイオード効果を得たが、これに限られるものではなく、例えば逆止弁等により作動流体の流れを規制して熱輸送方向を制御してもよい。
【００４３】
上記実施形態においては、一例として、内部に収納庫１３を設け、冷蔵庫として利用したが、これに限られるものではない。例えばこれを大型として野菜などの食物の貯蔵庫として用いることができる。また、蓄冷材１２から、ヒートパイプ１５あるいは流体ループにより、冷源を取り出して空調などにも用いることができる。野菜工場などでは低温の水の供給源として用いることもでき、様々な用途に適用できる。
【００４４】
さらに、上記実施形態の構成要件のうち一部を省略しても本発明を実現可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１…蓄冷庫（蓄冷装置）、１１…容器、１２…蓄冷材、１３…収納庫、１４…冷却部、１５…自励振動ヒートパイプ、２１…断熱容器、２２…開閉扉、２３…空間、２４…ソーラーセルパネル、２５…放熱板、２６…ペルチェ素子、２７…冷却板、２８…バッテリー、３１…管路、３１ａ…上部管、３１ｂ…下部管、３１ｃ…側部管、３２…作動流体、３２ａ…蒸気泡、３２ｂ…液柱、１００…蓄冷庫（蓄冷装置）、１０１…上部壁、１０２…通風路（通路）、１０３…ファン（対流発生手段）、１０４…放熱フィン、２００…蓄冷庫（蓄冷装置）、２３１ａ…上部管、２３１ｂ…下部管、３００…蓄冷庫（蓄冷装置）、３２５…放熱板、４００…蓄冷庫（蓄冷装置）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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