(57)【要約】【課題】二次冷媒の収縮や圧力変動に対して二次冷媒の補充、圧力調整を行い二次冷媒の流れの安定性と良好な熱移送を可能とするとともに、二次冷媒中のフッ素化合物を除去可能とするフッ素液フィルタをコンパクトな構成で設ける。【解決手段】スターリング冷凍機と冷熱利用機器とを循環配管で接続し、二次冷媒ポンプにより二次冷媒を循環させ、二次冷媒配管にベローズタンク６の付設されたリザーバタンク６を接続し、このリザーバタンク６内にフッ素液フィルタ１４を配設し、リザーバタンク６内の二次冷媒は、フッ素液フィルタ１４を通過してから循環配管に戻される。【選択図】    図１
2004286372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機と、該冷凍機で冷熱が付与された二次冷媒を該冷凍機と冷熱冷熱利用機器の間を循環させる二次冷媒循環用の循環配管と、二次冷媒ポンプとを備えた冷却装置において、
上記二次冷媒配管にベローズタンクの付設されたリザーバタンクが接続され、該リザーバタンク内にフッ素液フィルタが配設されており、上記リザーバタンク内の二次冷媒は、該フッ素液フィルタを通過してから上記リザーバタンクから上記循環配管に戻されるような構成であることを特徴する冷却装置。
【請求項２】
上記フッ素液フィルタは、断面がドーナッツ状のフィルタ本体と、該フィルタ本体の上端に取り付けられた蓋板とから成り、上記リザーバタンクに取替自在に装着可能なカートリッジとして構成されており、
上記フィルタ本体は、互いに同心的に配置された大径の格子筒と小径の格子筒が底部材に取り付けられており、大径の格子筒と小径の格子筒の間にフッ素吸着剤が充填されて成ることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
上記リザーバタンクの底部を貫通してリザーバタンク内に突出するようにリザーバタンクから上記循環配管に連通する液戻用バイパス管が設けられており、該液戻用バイパス管の突出した先端を上記フッ素液フィルタの小径格子筒に挿入するようにして、上記フッ素液フィルタが上記リザーバタンク内に位置決めされることを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
【請求項４】
上記フッ素吸着材は、活性炭又は活性アルミナが使用されることを特徴とする請求項２又は３記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却装置に関する発明であり、特に、食品流通、環境試験、医療、バイオ産業、半導体製造等の産業用又は家庭用機器等のあるゆる産業分野に使用できる、きわめて汎用性の高いスターリング冷凍機を使用したスターリング冷却装置の２次冷媒を循環させる冷却液回路に特徴を有する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、業務用、家庭用の冷熱関連機器の冷凍装置としては、フロン（単一、二元あるいは混合冷媒等）を冷媒として使用したシステムが知られている。そして地球環境問題を背景とした昨今のフロン規制に対しては、ＨＣＦＣ、ＨＦＣを使用した冷凍装置が知られている。
【０００３】
しかしながら、上記従来の構成によると、次のような問題がある。地球環境問題に対する国際的な取組みの本格化を背景として、今後、特定フロン及び代替フロンを含めフロン使用の一層の規制が求められる方向にあり、他の方式の冷却装置の開発の必要性が重要となっている。
【０００４】
又、従来の冷媒としてフロンを使用した冷却装置は、そのシステムの特性から使用温度領域が狭く、特に、昨今の各産業分野における技術発展に伴い求められている超低温領域の実現には、さらなる開発が必要である。
【０００５】
従来の冷却装置は、２元あるいは２段冷凍システムとなるために構造が複雑であり、コストが高くなる。そして、従来の冷却装置では恒温維持のための加熱が難しい。
【０００６】
これらの従来の冷却装置の問題を解決するために、フロンを使用せずに、従来の冷却装置より使用温度が広範囲で、従って、冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式クーラ等の業務用又は家庭用の冷熱利用機器をはじめとして、低温液循環器、低温恒温器、恒温槽、ヒートショック試験装置、凍結乾燥機、温度特性試験装置、血液・細胞保存装置、コールドクーラ、その他各種の冷熱装置等のあらゆる産業分野の冷熱利用機器に適用可能な、コンパクトで、しかも成績係数が高く、エネルギー効率が良好となるスターリング冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
スターリング冷却装置の冷却ヘッドにより冷却された二次冷媒は、二次冷媒管路で冷熱利用機器の冷却用配管に送られ冷却作用を行って、再度冷却ヘッドに循環するような二次冷媒が循環する閉じた循環路が構成される。この循環路内の二次冷媒はその収縮等により容積が変動し、循環路内の圧力が変動する。このために二次冷媒が不安定な流れを生じたり脈動流を生じたりする。これは、熱移送の安定性の点から好ましくない。又循環路を構成する配管等の機器へ機械的負荷となり損傷、劣化の原因となる。
【０００８】
この問題を解決するために、図３に示すようなリザーバタンク及びベローズ式タンク装置を設けるスターリング冷却装置がすでに知られているこのスターリング冷却装置２６では、スターリング冷凍機２７の冷却ヘッド２８で冷却される冷熱冷媒（二次冷媒）を、ポンプ２９により冷熱冷媒管路３０を介してスターリング冷凍機２７の冷却ヘッド２８と冷熱利用機器３１との間を循環するように循環させている。そして、冷熱冷媒管路３０にリザーバタンク３２を接続し、このリザーバタンク３２にベローズ３３を有するベローズ式タンク装置３４を接続している。
【０００９】
このような構成とすることで、冷熱冷媒の収縮による容積変動や循環路内の圧力変動に対して、リザーバタンク３２により循環路内の冷熱冷媒の容積をほぼ一定に維持し、ベローズ式タンク装置３４のベローズの伸縮で冷熱冷媒管路３０内の圧力変動に対する圧力の平準化を行い、冷熱冷媒の循環路内を循環する冷熱冷媒の流れの安定性を図り、良好な熱移送をするとともに、配管等の機器へ機械的負荷による損傷や劣化等を防止することができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１４６３４０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）系の二次冷媒を用いた場合に、繰り返し循環させて使用していると二次冷媒中にフッ素化合物が発生する。このフッ素化合物を除去するために、フッ素液フィルタを設ける必要があった。そこで、従来は、例えばリザーバタンクと二次冷媒の循環配管を接続する液体戻管等の途中に、フッ素液フィルタを設けていた。しかし、このようにフッ素液フィルタを設けると、その分のスペースが必要となり構造も複雑となるという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題を解決することを目的とするものであり、フッ素フィルタを冷却装置内になるべくコンパクトとなる状態で配置することを課題とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、冷凍機と、該冷凍機で冷熱が付与された二次冷媒を該冷凍機と冷熱冷熱利用機器の間を循環させる二次冷媒循環用の循環配管と、二次冷媒ポンプとを備えた冷却装置において、上記二次冷媒配管にベローズタンクの付設されたリザーバタンクが接続され、該リザーバタンク内にフッ素液フィルタが配設されており、上記リザーバタンク内の二次冷媒は、該フッ素液フィルタを通過してから上記リザーバタンクから上記循環配管に戻されるような構成であることを特徴する冷却装置を提供する。
【００１４】
上記フッ素液フィルタは、断面がドーナッツ状のフィルタ本体と、該フィルタ本体の上端に取り付けられた蓋板とから成り、上記リザーバタンクに取替自在に装着可能なカートリッジとして構成されており、上記フィルタ本体は、互いに同心的に配置された大径の格子筒と小径の格子筒が底部材に取り付けられており、大径の格子筒と小径の格子筒の間にフッ素吸着剤が充填されて成る構成としてもよい。
【００１５】
上記リザーバタンクの底部を貫通してリザーバタンク内に突出するようにリザーバタンクから上記循環配管に連通する液戻用バイパス管が設けられており、該液戻用バイパス管の突出した先端を上記フッ素液フィルタの小径格子筒に挿入するようにして、上記フッ素液フィルタが上記リザーバタンク内に位置決めされる構成としてもよい。
【００１６】
上記フッ素吸着材は、活性炭又は活性アルミナが使用される構成としてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して以下に説明する。図１は、本発明に係る冷却装置の実施例を説明する図である。この図１において、冷却装置１は、冷凍機により二次冷媒を冷熱を付与しているが、この冷凍機として、スターリング冷凍機４が使用される。スターリング冷凍機４の詳細は、特許文献１で詳述しているので、ここでは省略する。
【００１８】
図１により、実施例の概要をまず説明する。本発明に係る冷却装置１は、冷却対象となる冷熱利用機器２に二次冷媒（冷熱冷媒）を循環させる循環配管３と、この循環配管３に設けられたスターリング冷凍機４と、循環配管３に設けられ、二次冷媒を冷熱利用機器２に循環させる二次冷媒ポンプ５と、循環する二次冷媒量を調整するリザーバタンク６と、を備える。
【００１９】
循環配管３を矢印ａ方向に循環する二次冷媒は、スターリング冷凍機４で冷却される。循環配管３に設けられる二次冷媒（冷却液）ポンプ５は、二次冷媒を循環させて、冷熱利用機器２に二次冷媒を送流して冷熱の利用に供する。
【００２０】
リザーバタンク６は、循環する二次冷媒量を調節するために設けられている。つまり、循環配管３を循環する二次冷媒は、スターリング冷凍機４で冷却されるにつれて体積が減少してしまう。このため二次冷媒を補充して二次冷媒量を調整するためにリザーバタンク６が設けられている。
【００２１】
リザーバタンク６の上部空間６’には、内部に貫通孔が設けられた金属製の汎用品である角ブロック１０が連通するように接続されている。角ブロック１０に、圧力調整ベローズ７、安全バルブ８及びタンクベント９が夫々接続されている。そして、リザーバタンク６の上部には二次冷媒注入バルブ１１が接続されている。一方、リザーバタンク６の二次冷媒の貯留部分６ａと循環配管３とは、電磁弁１２を介して接続されている。
【００２２】
圧力調整ベローズ７は、伸縮することにより、循環配管３内の圧力調整を行なうものである。つまり、二次冷媒が冷熱利用機器２で冷熱を与えることにより２次冷媒に温度上昇が生じ、この結果二次冷媒の体積変化が生じる。この体積変化により生じる循環配管３内の圧力変動に応じて、圧力調整部ベローズ７が伸縮することで、循環配管３内の圧力変動を吸収する。
【００２３】
安全バルブ８はリザーバタンク６の内圧が所定圧以上になると開弁することにより、リザーバタンク６の内圧が異常な高圧にならないように安全弁としての機能を有するものである。
【００２４】
リザーバタンク６に設けられる二次冷媒注入バルブ１１は、二次冷媒を冷却装置１内に注入する際に、開弁して用いるものである。また、タンクベント９は、リザーバタンク６を強制開放できるようにするものである。
【００２５】
循環配管３に設けられる気液分離配管１３は、冷熱利用機器２から戻ってきた液体の二次冷媒からその中に残留している空気（残留エア）を分離するものである。気液分離配管１３は、循環配管３の中、冷熱利用機器２と二次冷媒ポンプ５との間の配管３ａに設けられた気液分離管１３ａと、液体の二次冷媒中に残留している空気を分離し、この分離した空気をリザーバタンク６に導く気体回収管１３ｂと、液体の二次冷媒を循環配管３に戻す液体戻管１３ｃにより形成されている。
【００２６】
気液分離管１３ａと液体戻管１３ｃとは連通して、略逆Ｕ字状をなし、その頂部近傍に気体回収管１３ｂが接続されて、リザーバタンク６へ連通している。液体の二次冷媒中に空気が残留している気液混合状態の二次冷媒が、冷熱利用機器２から循環配管３に流動して二次冷媒ポンプ５に戻るまでの間に、二次冷媒中に残留している空気が気液分離管１３ａ内を上昇することにより気液分離が行われる。二次冷媒中に残留している空気は、気体回収管１３ｂを介してリザーバタンク６に回収され、液体の二次冷媒は、液体戻管１３ｃを介して循環配管３に戻るようにする。
【００２７】
上述したように、冷却装置１では、気液分離配管１３により二次冷媒中に残留している空気の分離を行い、分離した空気をリザーバタンク６に回収している。しかし、循環配管３を流れる二次冷媒の流速が速い場合、二次冷媒中に残留している空気をスムーズに分離させることが難しい。特に、冷却装置１を運転始動し始めた初期段階においては、循環配管３を流れる二次冷媒中から残留している空気を思い通りに分離することが困難である。
【００２８】
このため、二次冷媒（冷却液）ポンプ５にインバータを設置し、二次冷却ポンプ５をインバータ制御することにより、循環配管３を流れる二次冷媒の流量を調節している。つまり、インバータ制御により循環配管３を流れる二次冷媒の流速を遅くするなどの調整を行って、気液分離配管１３を介してスムーズに二次冷媒中に残留している空気の分離（気液分離）が行われるようにしている。
【００２９】
気液分離が行われると、二次冷媒ポンプ５は液体の二次冷媒のみが戻るので、二次冷媒中に残留する空気より生じる、二次冷媒ポンプ５のエアー噛み等の不都合が防止できる。
【００３０】
このような構成において、本発明の特徴的な構成は、リザーバタンク６内にフッ素液フィルタ１４を設け、冷却装置１を全体的にコンパクトな構造として点である。これを以下詳細に説明する。
【００３１】
図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ断面図であり、図２（ｂ）はフッ素液フィルタ１４を装着する前のリザーバタンク６を示し、図２（ｃ）はフッ素液フィルタ１４を示す。図２（ａ）、（ｂ）において、リザーバタンク６の上面壁１５に円形の開口１６が形成されており、この開口１６の中心とその軸心を一致するようにリザーバタンク６の下面壁１７に小孔１８が形成されている。この小孔１８には液戻用バイパス管１９がリザーバタンク６内に突出するように挿通されて配設されている。
【００３２】
フッ素液フィルタ１４は、断面がドーナッツ状のフィルタ本体２０と、このフィルタ本体２０の上端に取り付けられた円形の蓋板２１とから成り、リザーバタンク６に取替自在に装着可能なカートリッジ状に構成される。フィルタ本体２０は、互いに同心的に配置された大径の格子筒２２と小径の格子筒２３を備え、これら大小の格子筒２２、２３が環状の底部材２４に載置されるようにして取り付けられて構成される。
【００３３】
大小の格子筒２２、２３及び底部材２４は、アルミニウム等の材料で一体又は別体で形成されている。そして、大径の格子筒２２と小径の格子筒２３の間のスペースにフッ素化合物を除去するためのフッ素吸着剤２５が充填されている。フッ素吸着剤２５としては、例えば、活性炭や活性アルミナ等の材料が使用される。なお、底部材２４の下面にリザーバタンク６の底面に当接するリングシール等のシール材（図示せず。）を設けても良い。
【００３４】
このような構成のフッ素液フィルタ１４は、リザーバタンク６の開口１６からリザーバタンク６内に装入され、リザーバタンク６内に突出する液戻用バイパス管１９の先端が小径の格子筒２３内に挿入されるように、フィルタ本体２０が位置決めされた状態で定置される。そして、蓋板２１は、リザーバタンク６の上面壁１５にネジ止めされて開口１６を閉じることができる。
【００３５】
（作用）
以上の構成による本発明の作用を説明する。スターリング冷凍機４で冷熱が付与された二次冷媒は、循環配管３を通り冷熱利用機器２に送られる。そして、冷熱利用機器２から戻ってきた二次冷媒中の液体は循環配管３を通して二次冷媒ポンプ５によりスターリング冷凍機４に戻されるように循環する。
【００３６】
そして、冷熱利用機器２から戻ってきた気液混合状態の二次冷媒は、気液分離管１３において分離され、液戻管１３ｃから循環配管３に戻され、二次冷媒ポンプ５によりスターリング冷凍機４に戻されるように循環する。
【００３７】
循環配管３から一部の二次冷媒は、バイパス配管の電磁弁１２を通ってリザーバタンク６内に供給される。リザーバタンク６内の二次冷媒は、液体フッ素液フィルタ１４を通り、フッ素化合物が除去される。このようにしてフッ素化合物が除去された二次冷媒は、液戻用バイパス管１９から循環配管３に戻される。
【００３８】
このように本発明では、リザーバタンク６内にフッ素液フィルタ１４を設け、リザーバタンク６内の液は必ずフッ素液フィルタ１４を通って循環配管３に戻るような構成としたので、液戻管１３ｃにフッ素液フィルタ１４を設置する必要がなくなり、冷却装置１が全体的にコンパクトかつ構造がすっきりとする。
【００３９】
そして、リザーバタンク６内に二次冷媒が充填されており、循環配管３に常時液圧をかけ二次冷媒を供給できる構成であるから、二次冷媒の収縮による容積変動に対応して循環配管内の二次冷媒の容積を一定にできる。さらに、循環配管３内の圧力が大きく変動しても、この変動に対応してベローズ７が伸縮する。これにより、循環配管３内の圧力変動に対する圧力の平準化が可能である。
【００４０】
この結果、循環配管３を循環する二次冷媒の流れ及び循環配管３内の圧力が安定し、良好な熱移送が可能となり、循環配管３等の機器へ機械的負荷による損傷、劣化等も防止でき、寿命の向上も可能となる。
【００４１】
以上、本発明に係る冷却装置の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によるスターリング冷却装置によると、次のような効果を奏することができる。ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）系の二次冷媒を用いた場合に生じるフッ素化合物を除去するために、液戻管等にフッ素液フィルタを設置すると冷却装置全体がコンパクトさに欠け、複雑な構造となってしまうが、本発明では、リザーバタンク内にフッ素液フィルタを設け、リザーバタンク内の液は必ずフッ素液フィルタを通って循環配管に戻るような構成としたので、冷却装置が全体的にコンパクトな構成となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却装置の実施例の全体構成を説明する図である。
【図２】本発明の冷却装置の特徴的な構成を説明する図である。
【図３】従来のスターリング冷却装置を説明する図である。
【符号の説明】
１  冷却装置
２  冷熱利用機器
３  循環配管
４  スターリング冷凍機
５  二次冷媒ポンプ
６  リザーバタンク
７  圧力調整ベローズ
８  安全バルブ
９  タンクベント
１０  角ブロック
１１  二次冷媒注入バルブ
１２  電磁弁
１３  気液分離配管
１４  フッ素液フィルタ
１５  リザーバタンクの上面壁
１６  開口
１７  リザーバタンクの下面壁
１８  小孔
１９  液戻用バイパス管
２０  フィルタ本体
２１  蓋板
２２  大径の格子筒
２３  小径の格子筒
２４  底部材
２５  フッ素吸着剤
２６  スターリング冷却装置
２７  スターリング冷凍機
２８  冷却ヘッド
２９  ポンプ
３０  冷熱冷媒管路
３１  冷熱利用機器
３２  リザーバタンク
３３  ベローズ
３４  ベローズ式タンク装置
【図１】
2004286372.tif 000003
【図２】
2004286372.tif 000004
【図３】
2004286372.tif 000005