(57)【要約】【課題】スターリング冷凍機の放熱端部より発生した高温排熱の熱輸送を良好なものとすることができる熱輸送装置を提供すること。【解決手段】スターリング冷凍機２０の放熱端部２２より発生した高温排熱を作動流体に受熱させる受熱熱交換器１１と、受熱熱交換器１１で高温排熱を受熱した作動流体を放熱させる放熱熱交換器１２と、受熱熱交換器１１で高温排熱を受熱した作動流体を放熱熱交換器１２まで移動させるための第１輸送ライン１３と、放熱熱交換器１２で放熱した作動流体を受熱熱交換器１１まで移動させるための第２輸送ライン１４とを接続してなる密閉された流体回路１０ａを備え、流体回路１０ａにて作動流体を循環させることにより、放熱端部２２より発生した高温排熱を輸送して外部に放出する熱輸送装置１０において、作動流体の流体回路１０ａに対する封入密度量を５３０〜７８０ｋｇ／ｍ3にしたものである。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリング冷凍機の放熱端部より発生した高温排熱を作動流体に受熱させる第１熱交換器と、
前記第１熱交換器で高温排熱を受熱した作動流体を放熱させる第２熱交換器と、
前記第１熱交換器で高温排熱を受熱した作動流体を前記第２熱交換器まで移動させるための第１輸送ラインと、
前記第２熱交換器で放熱した作動流体を前記第１熱交換器まで移動させるための第２輸送ラインと
を接続してなる密閉された流体回路を備え、該流体回路にて前記作動流体を循環させることにより、前記放熱端部より発生した高温排熱を輸送して外部に放出する熱輸送装置において、
前記作動流体の前記流体回路に対する封入密度量を５３０〜７８０ｋｇ／ｍ3にしたことを特徴とする熱輸送装置。
【請求項２】
前記流体回路の内部圧力を７．５〜１１ＭＰａにしたことを特徴とする請求項１に記載の熱輸送装置。
【請求項３】
前記作動流体は、超臨界状態の二酸化炭素であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱輸送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱輸送装置に関し、より詳細には、スターリング冷凍機より発生した高温排熱を輸送して外部に放出する熱輸送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、スターリング冷凍機の放熱端部より発生した高温排熱を輸送して外部に放出する熱輸送装置として、次のようなものが知られている。すなわち、受熱熱交換器と、放熱熱交換器と、第１輸送ラインと、第２輸送ラインとを接続してなる流体回路を備えて構成されたものである。
【０００３】
受熱熱交換器は、スターリング冷凍機の放熱端部に熱的に接続されて配設されている。この受熱熱交換器は、内部の作動流体に放熱端部で発生した高温排熱を受熱させるものである。放熱熱交換器は、スターリング冷凍機から所定の距離だけ離隔した位置で、かつ受熱熱交換器よりも相対的に高い位置に配設されている。この放熱熱交換器は、内部の作動流体に放熱させるものである。これにより、受熱熱交換器で受熱した高温排熱を外部（周囲空気）に放出することになる。第１輸送ラインは、受熱熱交換器と放熱熱交換器とを繋ぐ管路である。この第１輸送ラインは、受熱熱交換器で高温排熱を受熱した作動流体を放熱熱交換器に移動させるためのものである。第２輸送ラインは、上記第１輸送ラインとは別個に、受熱熱交換器と放熱熱交換器とを繋ぐ管路である。この第２輸送ラインは、放熱熱交換器で放熱した作動流体を受熱熱交換器に移動させるためのものである。第１輸送ラインと第２輸送ラインとの配置関係は、第１輸送ラインが第２輸送ラインの上方に位置するようになっている。これは、第１輸送ラインを通る作動流体の密度が第２輸送ラインを通る作動流体の密度よりも小さいためである。このような受熱熱交換器、放熱熱交換器、第１輸送ラインおよび第２輸送ラインを接続してなる流体回路は、上述のように第１輸送ラインと第２輸送ライン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。
【０００４】
そのような構成を有する熱輸送装置では、放熱端部に熱的に接続している受熱熱交換器において高温排熱を受熱した作動流体が、第１輸送ラインを通じて放熱熱交換器まで移動し、該放熱熱交換器で放熱することによって、高温排熱は外部に放出される。放熱熱交換器で放熱した作動流体は、第２輸送ラインを通じて受熱熱交換器まで移動し、該受熱熱交換器で再び高温排熱を受熱して上記流体回路を循環する（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２７８９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述したような熱輸送装置は、スターリング冷凍機の放熱端部より発生した高温排熱を輸送して外部に放出する手段として有用ではあるが、流体回路における作動流体の封入密度に応じて熱輸送効率が変化することが知られている。そのため、熱輸送を良好なものとすることができる熱輸送装置が求められている。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みて、スターリング冷凍機の放熱端部より発生した高温排熱の熱輸送を良好なものとすることができる熱輸送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る熱輸送装置は、スターリング冷凍機の放熱端部より発生した高温排熱を作動流体に受熱させる第１熱交換器と、前記第１熱交換器で高温排熱を受熱した作動流体を放熱させる第２熱交換器と、前記第１熱交換器で高温排熱を受熱した作動流体を前記第２熱交換器まで移動させるための第１輸送ラインと、前記第２熱交換器で放熱した作動流体を前記第１熱交換器まで移動させるための第２輸送ラインとを接続してなる密閉された流体回路を備え、該流体回路にて前記作動流体を循環させることにより、前記放熱端部より発生した高温排熱を輸送して外部に放出する熱輸送装置において、前記作動流体の前記流体回路に対する封入密度量を５３０〜７８０ｋｇ／ｍ3にしたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の請求項２に係る熱輸送装置は、上述した請求項１において、前記流体回路の内部圧力を７．５〜１１ＭＰａにしたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項３に係る熱輸送装置は、上述した請求項１または請求項２において、前記作動流体は、超臨界状態の二酸化炭素であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、作動流体の封入密度量を５３０〜７８０ｋｇ／ｍ3にしたので、作動流体の熱輸送効率を十分に大きいものとすることができ、これにより、スターリング冷凍機の放熱端部より発生した高温排熱の熱輸送を良好なものとすることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る熱輸送装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１および図２は、それぞれ本発明の実施の形態における熱輸送装置を示すものであり、図１は、熱輸送装置を側方から見た場合を示す説明図であり、一部を断面で示し、図２は、熱輸送装置を模式的に示す模式図である。この図１および図２に例示するように、熱輸送装置１０は、スターリング冷凍機２０に適用されるものである。
【００１４】
スターリング冷凍機２０は、例えば自動販売機等に適用されるものであり、図示の例では、自動販売機１の機内の機械室２に横置きに載置されている。このスターリング冷凍機２０は、稼動することにより冷熱を発生する円筒状の冷却端部２１と、高温排熱を発生する円筒状の放熱端部２２とを有している。
【００１５】
熱輸送装置１０は、密閉された流体回路１０ａを備えている。この流体回路１０ａは、内部に作動流体が封入してあり、受熱熱交換器（第１熱交換器）１１、放熱熱交換器（第２熱交換器）１２、第１輸送ライン１３および第２輸送ライン１４を接続して構成したものである。ここに、作動流体としては種々のものを用いることができるが、本実施の形態では二酸化炭素が用いられているとして説明する。
【００１６】
受熱熱交換器１１は、スターリング冷凍機２０の放熱端部２２に熱的に接続してある。より詳細には、受熱熱交換器１１は、例えば銅等の金属材料から構成したものであり、スターリング冷凍機２０の放熱端部２２の外周面に熱的に接続してある。この受熱熱交換器１１は、内部の作動流体に放熱端部２２からの高温排熱を伝達し、該高温排熱を受熱させるものである。
【００１７】
放熱熱交換器１２は、スターリング冷凍機２０（受熱熱交換器１１）から所定の距離だけ離隔した位置で、かつ受熱熱交換器１１よりも相対的に高い位置に配設してある。この放熱熱交換器１２は、内部の作動流体に放熱させるものである。より詳細に説明すると、放熱熱交換器１２は、蛇行状通路１２１と、複数のフィン（図示せず）とを有している。蛇行状通路１２１は、例えばアルミニウムや銅等の金属材料から形成され、内径が数ミリ以下となる細管を蛇行状に曲げ加工して構成したものである。この蛇行状通路１２１は、細管内に作動流体を通過させるものである。複数のフィンは、蛇行状通路１２１と同様に、例えばアルミニウム等の金属材料からなる板状体である。これら複数のフィンは、所定の間隔ごとに蛇行状通路１２１にろう付けされて配設してある。
【００１８】
このような放熱熱交換器１２では、蛇行状通路１２１を通過する作動流体が受熱熱交換器１１で受熱した高温排熱を周囲空気へ放熱することになる。これにより、周囲空気は、高温排熱により加熱される。
【００１９】
また、放熱熱交換器１２の近傍には、送風ファン１５が設けてある。送風ファン１５は、放熱熱交換器１２で作動流体が放熱することによって加熱された周囲空気を自動販売機１の外部に送出する結果、高温排熱を自動販売機１の外部に放出するものである。
【００２０】
第１輸送ライン１３は、受熱熱交換器１１と放熱熱交換器１２とを繋ぐ管路である。この第１輸送ライン１３は、受熱熱交換器１１で高温排熱を受熱した作動流体を放熱熱交換器１２に移動させるためのものである。
【００２１】
第２輸送ライン１４は、上記第１輸送ライン１３とは別個に、受熱熱交換器１１と放熱熱交換器１２とを繋ぐ管路である。この第２輸送ライン１４は、放熱熱交換器１２で放熱した作動流体を受熱熱交換器１１に移動させるためのものである。
【００２２】
第１輸送ライン１３と第２輸送ライン１４との配置関係は、第１輸送ライン１３が第２輸送ライン１４の上方に位置するようになっている。これは、第１輸送ライン１３を通る作動流体の密度が第２輸送ライン１４を通る作動流体の密度よりも小さいためである。
【００２３】
このような受熱熱交換器１１、放熱熱交換器１２、第１輸送ライン１３および第２輸送ライン１４を接続して構成された流体回路１０ａは、上述のように第１輸送ライン１３と第２輸送ライン１４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。
【００２４】
上記熱輸送装置１０は、スターリング冷凍機２０の放熱端部２２より発生した高温排熱を次のようにして自動販売機１の外部に放出する。ここで、自動販売機１の外部、すなわち放熱熱交換器１２の周囲空気の温度は、約３１．１℃以上となっており、熱輸送装置１０の流体回路１０ａに封入された作動流体（二酸化炭素）は常に超臨界状態になっているものとして説明する。
【００２５】
放熱端部２２に熱的に接続している受熱熱交換器１１において、該放熱端部２２より発生した高温排熱を受熱した作動流体は、第１輸送ライン１３を通じて放熱熱交換器１２まで移動し、該放熱熱交換器１２で放熱する。より詳細に説明すると、第１輸送ライン１３を通過した作動流体は、蛇行状通路１２１に進入し、該蛇行状通路１２１を通過しながら放熱する。これにより、放熱熱交換器１２の周囲空気は加熱される。そして、加熱された周囲空気は、送風ファン１５によって自動販売機１の外部に送出される結果、高温排熱が自動販売機１の外部に放出される。従って、スターリング冷凍機２０の放熱端部２２より発生した高温排熱は、熱輸送装置１０によって輸送された後、自動販売機１の外部に放出される。ところで、放熱熱交換器１２で放熱した作動流体は、第２輸送ライン１４を通じて受熱熱交換器１１まで移動し、該受熱熱交換器１１で再び受熱することにより流体回路１０ａでの循環を繰り返す。
【００２６】
そのような熱輸送装置１０では、流体回路１０ａに対する作動流体の封入密度量、すなわち流体回路１０ａの単位体積あたりの封入量が５３０〜７８０ｋｇ／ｍ3にしてある。作動流体の封入密度量を上記特定の範囲にすることにより、流体回路１０ａの内部圧力は、７．５〜１１ＭＰａの範囲になる。
【００２７】
図３は、作動流体の封入密度量と冷凍機のＣＯＰ（成績係数：coefficient  of  performance）の比（以下、「ＣＯＰ比」と称する）との関係を示すものである。ここでＣＯＰ比は、ＣＯＰが最大となる場合を「１」としたときの比率を表している。この図３は、外気温度が３１．１℃以上あり、流体回路１０ａを循環する作動流体（二酸化炭素）が常時超臨界状態にある場合に得られたものである。
【００２８】
かかる図３より、作動流体の封入密度量が上記特定の範囲にしてあることにより、ＣＯＰ比が０．９５以上となることが明らかである。このようにＣＯＰ比が０．９５以上になるということは、省エネルギー率の低下が５％以下であることを示しており、封入密度量が上記特定の範囲にある場合には、超臨界状態にある作動流体の熱輸送効率を十分に大きくできることが理解される。
【００２９】
作動流体の封入密度量を特定の範囲に規定することは、次のような考えに基づいている。一般に、作動流体（二酸化炭素）は、放熱熱交換器１２の周囲空気の温度（外気温度）が３１．１℃以上である場合には、超臨界状態になることは既述の通りである。流体回路１０ａの内部では、作動流体は、受熱熱交換器１１（高温側）と放熱熱交換器１２（低温側）との間で温度変化をする。つまり、流体回路１０ａの内部において、作動流体は、スターリング冷凍機２０の放熱端部２２より発生した高温排熱を受熱して高温（例えば６０℃近く）になり、放熱熱交換器１２で放熱して低温（例えば４０℃近く）になる。そのような場合において、図４に示すように、流体回路１０ａの内部圧力が１０ＭＰａ付近にある場合には、例えば４０℃近くにある作動流体と例えば６０℃近くにある作動流体との密度差が十分に大きくなり、かかる密度差に基づいて作動流体が流体回路１０ａを良好に循環することになる。逆に、流体回路１０ａの内部圧力が８ＭＰａ以下となる場合には、例えば４０℃近く（低温側）にある作動流体と例えば６０℃近く（高温側）にある作動流体との密度差が大きいものにはならず、これにより、内部圧力が１０ＭＰａ付近の場合に比して、作動流体の流体回路１０ａの循環速度が遅くなる。
【００３０】
ところで、図５に示すように、作動流体の最大熱伝達率は、圧力が１０ＭＰａ付近にあるよりもそれ以下、すなわち９ＭＰａや８ＭＰａとなる場合の方が大きいことが知られている。
【００３１】
従って、本発明の特徴点である作動流体の封入密度量を上記特定の範囲に規定することは、流体回路１０ａを循環する作動流体の循環速度と該作動流体の熱伝達率とを考慮して決められたものである。
【００３２】
以上説明したような本実施の形態における熱輸送装置１０においては、作動流体の封入密度量を上記特定の範囲にしたので、作動流体の熱輸送効率を十分に大きいものとすることができ、これにより、スターリング冷凍機２０の放熱端部２２より発生した高温排熱の熱輸送を良好なものとすることができる。また、熱輸送を良好なものとすることができることにより、スターリング冷凍機２０の放熱端部２２の温度が必要以上に上昇してしまう虞れもない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上のように、本発明に係る熱輸送装置は、スターリング冷凍機より発生した高温排熱を輸送して外部に放出するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態における熱輸送装置を側方から見た場合を示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態における熱輸送装置を模式的に示す模式図である。
【図３】作動流体の封入密度量とＣＯＰ比との関係を示す図表である。
【図４】作動流体の物性特性を示す図表である。
【図５】作動流体の温度と熱伝達率との関係を示す図表である。
【符号の説明】
【００３５】
１０      熱輸送装置
１０ａ    流体回路
１１      受熱熱交換器
１２      放熱熱交換器
１３      第１輸送ライン
１４      第２輸送ライン
１５      送風ファン
【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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