(57)【要約】【課題】冷凍機にサーモサイフォンを組み合わせた冷却装置を対象に、被冷却部の熱負荷変動による冷却効率の低下を抑え、併せてサーモサイフォン配管系の耐圧，安全性の面で優れた効果を発揮するサーモサイフォン式冷却装置を提供する【解決手段】冷凍機１の冷温部１ｂと被冷却部２との間にループ型サーモサイフォン３を布設し、前記冷温部で得た冷熱を被冷却部に熱輸送して冷却するサーモサイフォン式冷却装置において、サーモサイフォンの冷媒循環量を被冷却部の熱負荷増減に応じて調整する制御手段として、サーモサイフォンの冷媒液管路３ｃ側にバッファータンク５を含む冷媒バイパス回路６を設け、温度センサ９ａ〜９ｄで検出した温度情報を基に被冷却部の熱負荷が増大した際にバッファータンクから冷媒循環回路に冷媒液を放出し冷媒循環量を増量し、逆に熱負荷が低減した際には冷媒循環回路からバッファータンクに冷媒液を回収して冷媒循環量を減量するようにする【選択図】        図１
2005188813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機の冷温部と被冷却部との間にループ型のサーモサイフォンを布設し、前記冷温部で得た冷熱を被冷却部に熱輸送して冷却するサーモサイフォン式冷却装置であり、サーモサイフォンの冷媒循環回路が冷凍機の冷温部に配した凝縮部および被冷却部に配した蒸発部と、前記凝縮部と蒸発部との間を連通して配管した往路側の冷媒液管路,および復路側の冷媒ガス管路とからなり、該冷媒循環回路の系内に冷媒を封入したものにおいて、
前記サーモサイフォンの冷媒循環量を被冷却部の熱負荷増減に応じて調整する制御手段として、前記冷媒循環回路の冷媒液管路側に冷媒液のバッファータンクを含むバイパス回路を設け、被冷却部および冷媒循環回路の各部から検出した温度情報を基に、被冷却部の熱負荷が増大した際にバッファータンクから冷媒循環回路に冷媒液を放出し冷媒循環量を増量し、逆に熱負荷が低減した際には冷媒循環回路からバッファータンクに冷媒液を回収して冷媒循環量を減量するようにしたことを特徴とするサーモサイフォン式冷却装置。
【請求項２】
請求項１記載の冷却装置において、バッファータンクを冷媒循環回路の冷媒液管路より低位置に配置し、かつその入口，出口側に開閉弁を設けて冷媒液管路に配管接続したことを特徴とするサーモサイフォン式冷却装置。
【請求項３】
請求項２記載の冷却装置において、バッファータンクに加熱ヒータ付設したことを特徴とするサーモサイフォン式冷却装置。
【請求項４】
請求項２記載の冷却装置において、バッファータンクに接続した出口側のバイパス管路を入口側のバイパス管路よりも高位置から引き出したことを特徴とするサーモサイフォン式冷却装置。
【請求項５】
請求項４記載の冷却装置において、入口，出口側のバイパス管路にそれぞれ逆止弁を接続したことを特徴とするサーモサイフォン式冷却装置。
【請求項６】
請求項１記載の冷却装置において、サーモサイフォンに封入した冷媒が炭酸ガスであることを特徴とするサーモサイフォン式冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動販売機に搭載して商品収納庫に収納した商品を保冷する冷却装置として好適なサーモサイフォン式冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
頭記のサーモサイフォン式冷却装置として、スターリング冷凍機の冷温部（コールドヘッド）と被冷却部（冷蔵庫）との間に重力還流式のループ型サーモサイフォンを布設し、前記冷温部で得た冷熱を被冷却部に熱輸送して庫内を冷却するようにした構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、冷凍機の冷温部と被冷却部との間に布設した前記のループ型のサーモサイフォンに関して、その冷媒循環回路を、冷凍機の冷温部と伝熱的に結合した凝縮部と、被冷却部に配した蒸発部と、前記凝縮部と蒸発部との間を連通して配管した往路側の冷媒液管路,および復路側の冷媒ガス管路とから構成したものが、本発明と同一出願人より特願２００３−７３２１８号として先に提案されている（先行出願１）。
【０００４】
次に、前記の先行出願１で提案したサーモサイフォン式冷却装置の構成，動作を図４で説明する。図において、１はスターリング冷凍機、１ａは冷凍機の放熱部、１ｂは冷温部（コールドヘッド）、２は被冷却部（例えば、自動販売機の商品収納庫）、３はスターリング冷凍機１と被冷却部２との間に布設したループ型のサーモサイフォン、４は被冷却部２の庫内に配した庫内ファンである。
【０００５】
ここで、サーモサイフォン３は、スターリング冷凍機１の冷温部１ｂに配した凝縮部３ａと、被冷却部２の庫内に配した蒸発部（蛇行状の冷媒管に放熱フィンを組み合わせたフィン・チューブ形熱交換器）３ｂと、凝縮部３ａと蒸発部３ｂとの間を連通して配管した往路側の冷媒液管路３ｃと、復路側の冷媒ガス管路３ｄとで冷媒循環回路を構成し、この冷媒循環回路の系内には作動流体の冷媒として例えば炭酸ガスが適当量封入されている。なお、冷媒循環回路の凝縮部３ａと蒸発部３ｂとの間で相変化する冷媒を重力の位置エネルギー差を利用して循環させるために、凝縮部３ａと蒸発部３ｂとの間に高低落差Ｈを設定するとともに、往路側の冷媒液管路３ｃは復路側の冷媒ガス管路３ｄよりも下側に配管している。また、冷媒循環管路の凝縮部３ａ，冷媒液管路３ｂおよび冷媒ガス管路３ｃを断熱材で被覆して熱損失を極力抑えるようにしている。
【０００６】
上記したサーモサイフォンの動作原理は周知の通りであり、冷凍機１の運転に伴い冷温部１ｂに発生した冷熱との熱交換により、サーモサイフォン３に封入した冷媒は凝縮部３ａにて凝縮，液化した後、重力により下方に流下し、冷媒液管路３ｃを経由して蒸発部３ｂに移動する。蒸発部３ｂに移動した液冷媒は被冷却部２の庫内空気との熱交換により沸騰蒸発して液体から気体に相変化し、気体となった冷媒ガスは蒸発部３ｂのチューブ内を上方に移動し、蒸発器３ｂの出口から冷媒ガス管路３ｄを経て凝縮部３ａに戻り、ここで冷凍機１の冷温部１ｂに放熱して再び凝縮するような冷却サイクルを繰り返す。この冷却サイクルにより被冷却部２の庫内が低温に冷却される。
【特許文献１】特開２００１−３３１３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前記のように冷媒循環回路にあらかじめ定量の冷媒を封入して運転する従来のサーモサイフォンでは、被冷却部の熱負荷が増減変化した場合に冷却効率が低下するといった問題がある。
【０００８】
すなわち、自動販売機の商品収納庫を例として被冷却部の熱負荷変動の推移を見ると、常温の商品を庫内に補充したローディング直後の状態では被冷却部の熱負荷は大きく、ここから庫内冷却が進んで商品の品温が低温（例えば１０℃前後）となった定常の保冷状態になれば熱負荷が減少する。
【０００９】
この場合に、サーモサイフォンの冷媒を定常保冷状態の熱負荷に合わせた定量の冷媒を封入した状態で被冷却部の熱負荷が増加すると、蒸発部における冷媒の沸騰蒸発量が増すために蒸発部内の冷媒液面が低下し、逆に凝縮部では蒸発部から移動してきた多量の冷媒ガスが凝縮，液化してその液面が上昇するために両者間の液面差が大きくなる。しかも、熱負荷が大きい運転状態になると、蒸発部では出口よりも手前側で冷媒の沸騰蒸発が完了してドライアウト熱流束となるために、沸騰蒸発の熱伝達に関与する有効熱交換面積が減少して伝熱効率が低下する。また、凝縮部では液面レベルが上昇しているために、その分だけ凝縮部に戻った冷媒ガスと冷凍機の冷温部との熱交換面積が減少する。このことから冷凍機，サーモサイフォンを含めた冷却装置のトータル的な冷却効率が低下する。
【００１０】
また、サーモサイフォンの冷媒として、地球環境（オゾン層）保護の面から自然冷媒である炭酸ガスを採用した場合に、炭酸ガスの冷凍サイクルは他の冷媒に比べて圧力レベル（凝縮圧力）が非常に高いことから、サーモサイフォンの配管系，凝縮部，蒸発部の耐圧構造に対する安全性が問題となる。したがって、冷媒に炭酸ガスを採用するに当たっては、サーモサイフォンの配管系，凝縮，蒸発部の耐圧設計レベルを低く抑えるためにも、冷却サイクルに直接関与する冷媒液量はできるだけ少ないことが望ましい。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は、冷凍機にサーモサイフォンを組み合わせた方式の冷却装置を対象に、被冷却部の熱負荷変動による冷却効率の低下を抑え、併せて冷媒に炭酸ガスを採用したサーモサイフォン配管系の耐圧，安全性の面で優れた効果を発揮するサーモサイフォン式冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明によれば、冷凍機の冷温部と被冷却部との間にループ型のサーモサイフォンを布設し、前記冷温部で得た冷熱を被冷却部に熱輸送して冷却するサーモサイフォン式冷却装置であり、サーモサイフォンの冷媒循環回路が冷凍機の冷温部に配した凝縮部および被冷却部に配した蒸発部と、前記凝縮部と蒸発部との間を連通して配管した往路側の冷媒液管路,および復路側の冷媒ガス管路とからなり、該冷媒循環回路の系内に冷媒を封入したものにおいて、
前記サーモサイフォンの冷媒循環量を被冷却部の熱負荷増減に応じて調整する制御手段として、前記冷媒循環回路の冷媒液管路側に冷媒液のバッファータンクを含むバイパス回路を設け、被冷却部および冷媒循環回路の各部から検出した温度情報を基に、被冷却部の熱負荷が増大した際にバッファータンクから冷媒循環回路に冷媒液を放出し冷媒循環量を増量し、逆に熱負荷が低減した際には冷媒循環回路からバッファータンクに冷媒液を回収して冷媒循環量を減量するようにする（請求項１）。
【００１３】
また、前記のバッファータンクについて、冷媒液の放出，回収を円滑に行うようにするために、次記のような態様で構成するものとする。
（１）バッファータンクを冷媒循環回路の冷媒液管路より低位置に配置するとともに、その入口，出口側に開閉弁を設け、該開閉弁を開閉制御により冷媒液管路とバッファータンクとの間で液冷媒の回収，放出を行うようにする（請求項２）。
（２）バッファータンクに加熱ヒータ付設しておき、バッファータンクから冷媒循環回路に液冷媒を放出する際には、ヒータ加熱によりタンク内の冷媒圧力を上げて液冷媒を放出するようにする（請求項３）。
（３）バッファータンクに接続した出口側のバイパス管路を、入口側のバイパス管路よりも高い位置から引き出し、冷媒循環回路からバッファータンクに液冷媒を回収する際に、タンク内に溜まっている冷媒ガスを出口側バイパス管路を通じて放出し、入口側バイパス管路を通じて液冷媒の回収を行うようにする（請求項４）。
（４）バッファータンクに配管した入口，出口側のバイパス管路にそれぞれ逆止弁を接続し、冷媒回収，放出時に不要な冷媒の逆流を防ぐようにする（請求項５）。
【発明の効果】
【００１４】
ループ型サーモサイフォンの冷媒循環回路にバッファータンクを含むバイパス回路を設け、被冷却部の熱負荷変動に応じて冷媒液の放出，回収を行うようにした本発明の構成によれば、冷却装置の保冷運転状態でサーモサイフォンの凝縮部と蒸発部との間で循環する冷媒量を、被冷却部の熱負荷に対応して適正量に調整することができ、これにより冷却効率の向上，冷凍機の消費電力節減化が図れる。
【００１５】
また、熱負荷の増減変動に応じて余剰の冷媒液を冷媒循環回路からバッファータンクに回収させておくことで、冷媒循環回路の冷媒圧力が過度に高まるのを抑えることができ、これによりサーモサイフォンの配管系，凝縮，蒸発部の耐圧設計レベルを低めて高い安全性，信頼性の確保、および製作コストの低減化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００１７】
図１（ａ）に示すサーモサイフォン式冷却装置は、図４で述べた従来構成と同様にスターリング冷凍機１の冷温部１ｂと被冷却部２（例えば自動販売機の商品収納庫）との間に炭酸ガスを冷媒はするループ型サーモサイフォン３を布設した構成になるが、図示実施例では、スターリング冷凍機１の冷温部１ｂと被冷却部２の冷媒循環回路について、その往路側の冷媒液管路３ｃに冷媒液を貯留するバッファータンク５を含む冷媒バイパス回路６が新たに装備されている。
【００１８】
ここで、バッファータンク５はヒータ（電熱ヒータ）５ａを付属し、冷媒液管路３ｃよりも低い位置に配置している。また、バッファータンク５に接続して前後に引き出した入口，出口側管路６ａ，６ｂをそれぞれサーモサイフォン３に対しその冷媒液管路３ｂの上流，下流側地点に分岐接続し、さらに入口，出口側の管路６ａ，６ｂにはそれぞれ開閉弁７ａ，７ｂおよび逆止弁８ａ，８ｂを接続して冷媒バイパス回路６を構成している。
【００１９】
また、被冷却部２の庫内、蒸発器３ｂの入口，出口端、および凝縮部３ａの入口端には温度センサ９ａ〜９ｄを配し、各温度センサで検知した温度情報を図１（ｂ）に示した制御装置１０に取り込み、この温度情報から後記（図３のフローチャート参照）のようにサーモサイフォン３の冷媒循環回路に循環している冷媒量の過不足を判定した上で、その判定を基に前記開閉弁７ａ，７ｂおよびバッファータンク５のヒータ５ａを通電制御して冷媒液の放出，回収を行うようにしている。
【００２０】
次に、被冷却部２の熱負荷増減に対応した前記冷媒バイパス回路６の制御動作を図２（ａ）〜（ｃ）および図３に示す制御動作のフローチャートに基づいて説明する。まず、図２（ａ）は熱負荷が安定している定常の保冷状態（自動販売機の商品収納庫に収納した商品が所定の品温に保冷されている状態）でのサーモサイフォン３における冷媒の通流状態を表している。すなわち、図４で述べたようにスターリング冷凍機１の冷温部１ｂとの熱交換により凝縮部３ａで凝縮，液化したサーモサイフォン３の冷媒は、重力作用により冷媒液管路３ｃを経て蒸発部３ｂ（フィン付きチューブ形熱交換器）に移動し、ここで被冷却部２の熱負荷と熱交換して沸騰蒸発しながら蒸発部内を上方に移動し、蒸発部３ｂの出口付近にて蒸発を完了した後に、往路側の冷媒ガス管路３ｄを通じて凝縮部３ａに還流する冷却サイクルを繰り返す。この熱負荷安定の運転状態では、蒸発部３ｂの入口側温度と出口側温度が略同じ温度となるので、図３のフローチャートで表すように冷媒バイパス回路６の開閉弁７ａ，７ｂはともに閉じたままで、バッファータンク５のヒータ５ａも非通電である。
一方、前記の運転状態から、熱負荷が増加（自動販売機の商品収納庫に商品を補給した直後の状態）すると、被冷却部２の庫内温度に追随して蒸発部３ｂの温度が上昇するので、冷媒である炭酸ガスの比エンタルピーは増大して密度が減少する。その結果、熱負荷が小さい図２（ａ）の運転状態と比べて、蒸発部３ｂに移動して来た冷媒液は蒸発部３ｂの出口に到達する以前に沸騰蒸発が完了してドライアウトとなるので、蒸発部３ｂの出口側温度は入口側の温度よりも上昇し、また冷媒が乾き蒸気の状態で還流する凝縮部３ａの入口側温度は蒸発部３ｂの出口側温度よりもさらに高くなる。
この熱負荷増加の運転状態になると、図３のフローチャートに従い、制御装置１０から指令でバッファータンク５のヒータ５ａを通電し、そのヒータ加熱によりバッファータンク５の内部圧力を増大させる。また、制御装置１０からの指令でバイパス回路６の出口側管路６ｂに接続した開閉弁７ｂを開く。これにより、バッファータンク５に貯留されていた冷媒液１１がタンクの内圧を受けて放出され、図３（ｂ）で示すように出口側管路６ｂを通じてサーモサイフォン３の冷媒液管路３ｂに導入補給される。したがって、サーモサイフォン３の冷却サイクルに直接関与する冷媒量が増加するようになり、その結果として、蒸発部３ｂにおける冷媒の沸騰蒸発による熱伝達が出口まで行われようになって冷却効率が向上する。
次に、図３（ｂ）で述べた高熱負荷の運転状態から庫内の冷却が進んで被冷却部２の熱負荷が減少し、その庫内温度が所定の保冷温度Ｔまで低下するようになると、蒸発部３ｂに移動した冷媒液は過冷却液状態のまま蒸発部内を上昇し、蒸発部の出口端に到達しても沸騰蒸発が完了に至らずに凝縮部３ａに還流する。このために、蒸発部３ｂでは冷媒の沸騰熱伝達による熱負荷との熱交換性能が十分に発揮できずに冷却効率が低下する。また、サーモサイフォン３の冷媒循環量も減少して凝縮部３ａと蒸発部３ｂとの間の冷媒液面差が小さくなり、かつ蒸発部３ｂの出口側温度と入口側温度とが略同程度になる。
このような運転状態になると、図３のフローチャートに従い、制御装置１０では被冷却部２の庫内温度の検出値から熱負荷の大小を判断した上で、蒸発部３ｂの出口側温度と凝縮部３ａの入口側温度が略同じであることを条件に、冷媒バイパス回路６に接続した入口側，出口側の開閉弁７ａ，７ｂを開く。これにより、サーモサイフォン３の冷媒液管路３ｃの圧力とバッファータンク５の内部圧力とがバランスするようになり、凝縮部３ａから冷媒液管路３ｃに流下移動して来た冷媒液の一部がバイパス回路６の入口側管路６ａを通じてバッファータンク５に流入してそのままタンク内に貯留れさる。その結果、冷媒液管路３ｃを通じて蒸発部３ｂに移動する冷媒液量が減少し、これに合わせて蒸発部では入口から出口までの略全域で冷媒の沸騰熱伝達が行われるようになるとともに、凝縮部３ｂでの凝縮熱伝達面積も増大するので冷却装置としてのトータル的な冷却効率が向上する。
なお、この場合にバッファータンク５に接続したバイパス回路６の出口側管路６ｂは入口側管路６ａよりも高い位置に開口しているので、バッファータンク内の液面上に滞留していた冷媒ガスは出口側管路６ｂを通じてサーモサイフォン３の冷媒循環回路に戻る。また、バイパス回路６の入口側管路６ａ，出口側管路６ｂには開閉弁７ａ，７ｂと直列に逆止弁８ａ，８ｂが介挿接続されているので、サーモサイフォン３の冷媒液管路３ｃとの間で冷媒が逆流するおそれはない。
そして、蒸発部３ｂの入口側温度と出口側温度とが同程度になれば、バイパス回路６の開閉弁７ａ，７ｂを閉じる。これにより、サーモサイフォン３は図３（ａ）の運転状態に戻るようになる。
また、当該サーモサイフォン式冷却装置を適用する自動販売機の商品収納庫では、商品を補充した直後は熱負荷が増加するが、自動販売機の稼動時間全体からみればその時間の閉める割合は小さく、稼動時間の大半は庫内に収納した商品の品温が所定温度まで低下した低負荷での定常保冷運転となる。したがって、前述のように熱負荷の増減に対応してサーモサイフォンの冷媒液量を調整し、定常の保冷運転状態では余剰の冷媒液をサーモサイフォンの冷媒循環回路からバッファータンクに回収することにより、冷媒に運転圧力の高い炭酸ガスを用いた場合でも、定常運転時における冷媒循環回路の圧力を比較的低く抑えることができ、これによりサーモサイフォンの配管系，熱交換部に要求される耐圧レベルを下げて安全性，信頼性が向上するほか、冷却装置のコスト低減化も図れる。
なお、図示実施例では冷却装置の冷凍機としてスターリング冷凍機を用いているが、これに限定されるものではなく、冷凍機として蒸気圧縮式冷凍機，あるいはペルチエ素子を用いた電子式冷凍機などを採用することも可能である。また、当該冷却装置を適用する用途としては、自動販売機の商品収納庫のほかに、例えば大容量の電子機器に使用されるＣＰＵの冷却、さらには空気調和機への適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
。
【図１】本発明の実施例によるサーモサイフォン式冷却装置の構成図であり、（ａ）は冷媒循環回路図、（ｂ）は（ａ）における冷媒バイパス回路に対する制御系統を表す図
【図２】図１の動作説明図で、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ定常熱負荷時，熱負荷増大時，および熱負荷低減時における冷媒の通流状態を表す図
【図３】図２（ａ）〜（ｃ）に対応する制御動作のフローチャートを表す図
【図４】従来におけるサーモサイフォン式冷却装置の冷媒循環回路図
【符号の説明】
【００２２】
１    スターリング冷凍機（冷凍機）
１ｂ  冷温部
２    被冷却部
３    サーモサイフォン
３ａ  凝縮部
３ｂ  蒸発部
３ｃ  冷媒液管路
３ｄ  冷媒ガス管路
５    バッファータンク
６    冷媒バイパス回路
６ａ  入口側管路
６ｂ  出口側管路
７ａ，７ｂ  開閉弁
８ａ，８ｂ  逆止弁
９ａ〜９ｄ  温度センサ
１０    制御装置
１１    冷媒液
【図１】
2005188813.tif 000003
【図２】
2005188813.tif 000004
【図３】
2005188813.tif 000005
【図４】
2005188813.tif 000006