(57)【要約】【課題】冷却効率のよい熱交換システムおよび成績係数の高いスターリング冷却庫を提供する。【解決手段】スターリング冷凍機の放熱部の周囲に設けられ、冷媒の蒸発により該放熱部の熱を吸収する蒸発器３と、蒸発器３よりも高所に配置され、気相状態の冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を蒸発器３から凝縮器へと導く導管８と、液冷媒を凝縮器から蒸発器３へと戻す戻り管９とを含む自然循環型の回路の蒸発器３内において、戻り管９の開口部９Ａと蒸発器３の内周面１１Ａとの間の距離を、導管８の開口部８Ａと内周面１１Ａとの間の距離よりも小さくする。【選択図】        図２
2005042949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱部の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記冷媒を前記蒸発器から前記凝縮器へと導く導管と、
前記凝縮器で凝縮した前記冷媒を前記凝縮器から前記蒸発器へと戻す戻り管とを備えた熱交換システムであって、
前記蒸発器内において、前記戻り管の開口部と該蒸発器の内周面との間の距離は、前記導管の開口部と前記内周面との間の距離よりも小さい熱交換システム。
【請求項２】
放熱部の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる、複数に分割された蒸発器と、
前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記冷媒を複数に分割された前記各蒸発器から前記凝縮器へと導く導管と、
前記凝縮器で凝縮した前記冷媒を前記凝縮器から前記各蒸発器へと戻す戻り管とを備えた熱交換システムであって、
前記戻り管は前記導管よりも前記各蒸発器の前記導管に近い側の周方向端面側にそれぞれ接続された熱交換システム。
【請求項３】
複数に分割された蒸発器と、
冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記冷媒を複数に分割された前記各蒸発器から前記凝縮器へと導く導管と、
前記凝縮器で凝縮した前記冷媒を前記凝縮器から前記各蒸発器へとそれぞれ戻す戻り管と、
前記複数の蒸発器を連結し、該複数の蒸発器間での液冷媒の流動を許容する連結管とを備えた熱交換システム。
【請求項４】
前記導管および前記戻り管は前記蒸発器の外周面に接続され、
該戻り管は該導管よりも前記蒸発器の内周面側に突出した、請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換システム。
【請求項５】
前記導管は前記蒸発器の外周面に、前記戻り管は前記蒸発器の軸方向端面に接続された、請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換システム。
【請求項６】
前記戻り管は、冷凍機の吸熱部に対して反対側の前記軸方向端面に接続された、請求項５に記載の熱交換システム。
【請求項７】
前記戻り管は前記蒸発器内部で該蒸発器の軸方向端面と交差する方向に延在する、請求項５に記載の熱交換システム。
【請求項８】
前記戻り管は前記蒸発器の内部で複数の開口部を有する、請求項４から請求項７のいずれかに記載の熱交換システム。
【請求項９】
放熱部の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記冷媒を前記蒸発器から前記凝縮器へと導く導管と、
前記凝縮器で凝縮した前記冷媒を前記凝縮器から前記蒸発器へと戻す戻り管と、
前記蒸発器内において、該導管に液冷媒が流入するのを防ぐ冷媒流入防止部とを備えた熱交換システム。
【請求項１０】
放熱部の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記冷媒を前記蒸発器から前記凝縮器へと導く第１および第２の導管と、
前記凝縮器で凝縮した前記冷媒を前記凝縮器から前記蒸発器へと戻す戻り管とを備えた熱交換システムであって、
前記第１および第２の導管の前記蒸発器との接続位置間にて前記蒸発器と前記戻り管とを接続した熱交換システム。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれかに記載の熱交換システムの蒸発器を、スターリング冷凍機の放熱部に装着し、該システムにより前記放熱部を冷却するスターリング冷却庫。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換システムおよびスターリング冷却庫に関し、特に、蒸発器と凝縮器とを備えた、冷媒の循環による熱交換システムおよびそれを備えたスターリング冷却庫に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスターリング冷凍機などの放熱部（高温部）の熱交換システムとしては、たとえば、特開２００３−５００７３号公報（従来例１）に記載されたものなどが挙げられる。
【０００３】
従来例１においては、配管で接続した高温側蒸発器と高温側凝縮器とを備え、高温側凝縮器を高温側蒸発器よりも高い位置に設け、水やハイドロカーボンなどの自然冷媒を封入し、サーモサイフォン原理で熱を搬送・放出するスターリング冷凍機における高温側熱交換サイクルが開示されている。
【０００４】
ここで、スターリング冷凍機の運転を開始すると、高温部の温度が上がり、高温側蒸発器で熱搬送媒体が加熱されて蒸発し、配管を通って高温側凝縮器に流入する。同時に、放熱用ファンの回転により、庫外の空気が吸引口から空気ダクト内に吸い込まれ、高温側凝縮器のフィン間を通過した後吹出し口から庫外に吹き出される。その際、熱搬送媒体は高温側凝縮器で冷やされて凝縮する。凝縮した熱搬送媒体は配管を通って流れ落ち、再び高温側蒸発器に戻る。このように、熱搬送媒体の自然循環が行なわれ、スターリング冷凍機の高温部の熱が庫外に放熱される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００３−５００７３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような熱交換システムにおいては、下記のような問題があった。
【０００７】
上記の高温側蒸発器には、ガス化した冷媒を蒸発器から凝縮器へと導く第１の配管と、凝縮した冷媒を凝縮器から蒸発器へと戻す第２の配管とが接続される。
【０００８】
ここで、蒸発器内でガス化した冷媒が第１の配管へ流入する際の速度は非常に大きく、凝縮した冷媒が蒸発器内へ流入する際の流量は比較的小さいため、蒸発器内へ流入する冷媒が、大きな流速をもつ上記のガスとともに、液体状態のまま第１の配管へと流入する場合がある。
【０００９】
上記の流入により、蒸発器内の液冷媒が減少して液位が下がることになる。ここで、蒸発器の冷却機能は主に液冷媒の蒸発によって発揮されているので、結果として、該熱交換システムの冷却機能が低下することになる。
【００１０】
本発明は上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、冷却効率のよい熱交換システムおよび該熱交換システムを備えたスターリング冷却庫を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱交換システムは、１つの局面では、放熱部の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる蒸発器と、冷媒を凝縮させる凝縮器と、冷媒を蒸発器から凝縮器へと導く導管と、凝縮器で凝縮した冷媒を凝縮器から蒸発器へと戻す戻り管とを備えた熱交換システムであって、蒸発器内において、戻り管の開口部と該蒸発器の内周面との間の距離は、導管の開口部と内周面との間の距離よりも小さい。
【００１２】
本発明に係る熱交換システムは、他の局面では、放熱部の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる、複数に分割された蒸発器と、冷媒を凝縮させる凝縮器と、冷媒を複数に分割させた各々の蒸発器から凝縮器へと導く導管と、凝縮器で凝縮した冷媒を凝縮器から各々の蒸発器へと戻す戻り管とを備えた熱交換システムであって、戻り管は導管よりも各蒸発器の導管に近い側の周方向端面側にそれぞれ接続されている。
【００１３】
これにより、戻り管から蒸発器に流入する凝縮した冷媒が、蒸発器から導管へと流入するガスの気流に巻き込まれにくくなるので、該冷媒の導管への逆流による蒸発器内の液位の低下が抑制され、結果として、熱交換システムの冷却機能が低下するのを防止することができる。
【００１４】
本発明に係る熱交換システムは、さらに他の局面では、複数に分割された蒸発器と、冷媒を凝縮させる凝縮器と、冷媒を複数に分割された各蒸発器から凝縮器へと導く導管と、凝縮器で凝縮した冷媒を凝縮器から各蒸発器へとそれぞれ戻す戻り管と、複数の蒸発器を連結し、該複数の蒸発器間での液冷媒の流動を許容する連結管とを備える。
【００１５】
これにより、複数の蒸発器内の液冷媒の液位の不均衡を調整することができるので、各々の蒸発器の液位の極端な低下が緩衝され、結果として蒸発器の冷却効果の低下を防止することができる。
【００１６】
ここで、１つの局面では、導管および戻り管は蒸発器の外周面に接続され、該戻り管は該導管よりも蒸発器の内周面側に突出していることが好ましい。
【００１７】
また、この際、戻り管は蒸発器の内部で屈曲し、かつ蒸発器内部で該蒸発器の軸方向端面と交差する方向に延在することが好ましい。
【００１８】
さらに、他の局面では、導管は蒸発器の外周面に、戻り管は蒸発器の軸方向端面に接続されていることが好ましい。
【００１９】
また、この際、戻り管は蒸発器内部で該蒸発器の軸方向端面と交差する方向に延在することが好ましい。
【００２０】
これにより、いずれの局面においても、凝縮した冷媒を蒸発器内の任意の箇所に流入させることができる。したがって、冷媒が導管へ逆流するのを防ぐ効果を高めることができる。
【００２１】
また、上記のとおり、導管および戻り管について、構造上の制約に対応して複数のバリエーションが選択可能である。この結果、熱交換システムを適用するデバイスの構造上の制約に拘束されずに、蒸発器の冷却効果を高めることができる。
【００２２】
また、戻り管は、冷凍機の吸熱部に対して反対側の前記軸方向端面に接続されることが好ましい。
【００２３】
これにより、比較的高温である冷媒からの熱伝導によって、該低温部の温度が上昇することを防ぐことができる。
【００２４】
また、該戻り管は蒸発器の内部で複数の開口部を有することが好ましい。
これにより、凝縮した冷媒を軸方向に分散させて蒸発器内に流入させることができる。したがって、蒸発器の冷却効果を高めることができる。
【００２５】
また、戻り管の開口部の径を、該戻り管の上流から下流に向けて大きくすることが好ましい。
【００２６】
これにより、冷媒をより均等に分散させて蒸発器内に流入させることができる。
【００２７】
本発明に係る熱交換システムは、さらに他の局面では、放熱部の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる蒸発器と、冷媒を凝縮させる凝縮器と、冷媒を蒸発器から凝縮器へと導く導管と、凝縮器で凝縮した冷媒を凝縮器から蒸発器へと戻す戻り管と、蒸発器内において、該導管に液冷媒が流入するのを防ぐ冷媒流入防止部とを備える。
【００２８】
これにより、蒸発器内の冷媒が、液体状態のまま蒸発器から導管へと流入するのを抑制することができる。
【００２９】
本発明に係る熱交換システムは、さらに他の局面では、放熱部の周囲に設けられ、内部の冷媒を蒸発させる蒸発器と、冷媒を凝縮させる凝縮器と、冷媒を蒸発器から凝縮器へと導く第１および第２の導管と、凝縮器で凝縮した冷媒を凝縮器から蒸発器へと戻す戻り管とを備えた熱交換システムであって、第１および第２の導管の蒸発器との接続位置間にて蒸発器と戻り管とを接続している。
【００３０】
これにより、戻り管から蒸発器に流入する凝縮した冷媒が、蒸発器から導管へと流入するガスの気流に巻き込まれにくくなる。
【００３１】
なお、いずれの局面においても、液冷媒の導管への逆流による蒸発器内の液位の低下が抑制され、結果として、熱交換システムの冷却機能が低下するのを防止することができる。
【００３２】
また、上記の熱交換システムは、スターリング冷凍機の放熱部の冷却に用いることができる。
【００３３】
本発明に係るスターリング冷却庫においては、上述の熱交換システムをスターリング冷凍機の放熱部に装着し、該システムにより放熱部の冷却を行なう。
【００３４】
これにより、該冷却庫に備えられたスターリング冷凍機は、冷却機能が高い熱交換システムを有することになる。この結果、冷却庫の成績係数（ＣＯＰ；Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が向上する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に基づく熱交換システムおよび該システムを備えた冷却庫の実施の形態について説明する。
【００３６】
本実施の形態に係る熱交換システムの一例としては、図１に示すような、スターリング冷凍機１の放熱部としての高温部（ウォームヘッド）を冷却するためのシステムが挙げられる。この熱交換システムは、蒸発器３と凝縮器４とを備えている。
【００３７】
上記のスターリング冷凍機１は支持台２に支持されている。また、支持台２は、支持部２Ａによりスターリング冷凍機１を支持し、該スターリング冷凍機を利用する冷蔵庫などの冷却庫の任意の箇所にスターリング冷凍機１を固定することができる。また、蒸発器３および凝縮器４は、スターリング冷凍機１の作動によって生じる高温部の放熱サイクルに含まれる。
【００３８】
以下に、スターリング冷凍機１の構造について説明する。
スターリング冷凍機１は、圧力容器５と、圧力容器５内にシリンダと、シリンダ内を往復動するピストンと、ピストンを駆動するリニアモータと、シリンダ内においてピストンに対向するディスプレーサと、ピストンとディスプレーサとの間に圧縮空間と、ディスプレーサに対してピストンの反対側に膨張空間と、ピストンに対してディスプレーサの反対側に背面空間と、膨張空間に対してディスプレーサの反対側に吸熱部（低温部）としてのコールドヘッド６と、圧縮空間および膨張空間の連通部に放熱部（高温部）としてのウォームヘッド７とを備える。
【００３９】
ここで、ピストンとディスプレーサとは同軸上に配設されており、ディスプレーサの一端を形成するロッドは、ピストンの中心部に設けられた摺動穴を貫通している。また、ピストンおよびディスプレーサは、各々バネを介して背面空間側の圧力容器５に弾性支持されている。
【００４０】
圧縮容器５内（圧縮空間、膨張空間および背面空間）には、高圧ヘリウムガスなどの不活性ガスが作動媒体として充填されている。また、圧縮空間と膨張空間とは、再生器を介して連結されている。
【００４１】
実際に、スターリング冷凍機を作動させた際は、ピストンがリニアモータによって駆動され、所定周期で往復運動する。これにより、作動媒体は作動空間（圧縮空間および膨張空間）内で圧縮／膨張される。ディスプレーサは、作動媒体の圧縮／膨張に伴う圧力変化によって、直線的に往復運動する。なお、このとき、ピストンとディスプレーサとは、所定の位相差をもって同一周期にて往復運動することになる。
【００４２】
上記の往復運動の結果、コールドヘッド６において冷熱の発生がなされるなどの効果が得られる。この際、圧縮で生じる熱はウォームヘッド７を介して、スターリング冷凍機１の外部へと放熱されることになる。なお、上記の冷熱の発生原理などの逆スターリング熱サイクルに関しては、一般によく知られているので、ここでは説明を省略する。
【００４３】
以下に、蒸発器３と凝縮器４とを含む、高温部の熱交換サイクル（放熱サイクル）について説明する。
【００４４】
本サイクルは、図１に示すように、ウォームヘッド７の周囲に設けられ、冷媒の蒸発によりウォームヘッド７の熱を吸収する蒸発器３と、蒸発器３よりも高所に配置され、気相状態の冷媒を凝縮する凝縮器４と、冷媒を蒸発器３から凝縮器４へと導く導管８と、液冷媒を凝縮器４から蒸発器３へと戻す戻り管９とを含む自然循環型の回路である。なお、本回路内には、水（水溶液を含む）や炭化水素などの冷媒が封入されている。
【００４５】
なお、図１において、蒸発器３は、円環形状を複数（２つ）の部分に分割した形状を有する蒸発器３Ａ，３Ｂにより構成されている。
【００４６】
ここで、円環形状の分割数は２つに限定されるものではない。また、蒸発器３の環形状は円環形状に限られるものではなく、ウォームヘッドの形状にあわせて任意の環形状（たとえば四角環形状など）を適用することが可能である。
【００４７】
また、凝縮器４は、図１に示すように、折り曲げ管４Ａと、フィン４Ｂと、導管側ヘッダーパイプ４Ｃと、戻り管側ヘッダーパイプ４Ｄとを備える。ここで、折り曲げ管４Ａは、ヘッダーパイプ４Ｃ，４Ｄ間を接続し、該折り曲げ管４Ａには、フィン４Ｂが取り付けられる。また、ヘッダーパイプ４Ｃ，４Ｄは、それぞれ導管８、戻り管９に接続される。
【００４８】
次に上記の熱交換サイクルの動作について説明する。
ウォームヘッド７に発生した熱は、ウォームヘッド７から蒸発器３に伝達され、蒸発器３内に溜まっている液冷媒を蒸発させる。蒸発した冷媒の蒸気は、蒸発器３から導管８へと流入し、該導管８を上昇して、蒸発器３よりも高い位置に設置された凝縮器４に流入する。その後、該ガス冷媒は、凝縮器４において外部と熱交換を行ない、大部分のガス冷媒が凝縮される。
【００４９】
凝縮器４において凝縮した冷媒（凝縮されなかったガス冷媒を含む）は、戻り管９を下降する。そして、凝縮された液冷媒は蒸発器３に戻り、再びウォームヘッド７の熱によって蒸発し、熱交換を行なう。
【００５０】
ところで、スターリング冷凍機の従来の放熱システムは、高温部に水を流したり、空気を送風することにより、高温部を冷却し、放熱を促進するように構成されている。
【００５１】
しかしながら、上記のような水や空気の顕熱を利用した熱交換は熱伝導量が小さく、また水や空気の強制循環のための外部動力の駆動により消費電力が大きくなるため、結果として放熱サイクルの熱交換効率が低下する。
【００５２】
これに対し、本実施の形態に係る熱交換システムにおいては、冷媒の蒸発／凝縮による潜熱を利用した熱交換を行なうことにより、顕熱を利用した水冷／空冷などの熱交換と比較して、数十倍程度大きい熱伝達量を得ることができ、熱交換効率を大幅に向上させることができる。
【００５３】
また、上記のサイクルにおいては、蒸発器３と凝縮器４との上下配置における高度差と、気体（ガス冷媒）と液体（液冷媒）との比重差とを利用した自然循環を得ることができる。したがって、ポンプなどの外部動力が不要となり、省エネ効果を得ることができる。
【００５４】
ところで、上記の熱交換サイクルを氷点下の環境で動作させる場合、冷媒の凍結による配管の破損などの問題が考えられる。これに対し、水にたとえばエタノールやエチレングリコールなどを含む添加剤を混入させた冷媒を用いて、凝固点を降下させることによって凍結をおこりにくくすることができる。この場合、該添加剤による可燃性などの危険な要因を考慮して、添加剤混入後のエタノールまたはエチレングリコールの冷媒に占める割合は、２０ｗｔパーセント以下程度とすることが好ましい。
【００５５】
次に、蒸発器３の構造およびスターリング冷凍機１への取り付け方法について説明する。
【００５６】
蒸発器３は、円筒状のウォームヘッド７に簡単に取り付けることができるようにするため、図１に示すように、２つの半円環状蒸発器３Ａ，３Ｂに分割され、それらを組み合わせることにより、高温部の断面形状に対応した略円環形状を形成する。また、上記の各蒸発器３Ａ，３Ｂには、それぞれ導管８と戻り管９とが接続されている。
【００５７】
実際に取り付けを行なう際は、まず、一対の半円環状蒸発器３Ａ，３Ｂを、ウォームヘッド７の周囲に密着させて環形状を形成するように合わせる。そして、１つあるいは複数のバンド１０を用いて周囲から締め付ける。これにより、ねじ止めやかしめを用いることなく、環状の蒸発器３をウォームヘッド７に密着・固定することができる。
【００５８】
ここで、ウォームヘッド７と蒸発器３とをより密着させて放熱サイクルの熱交換効率を向上させるため、伝熱グリスを使用することが好ましい。
【００５９】
凝縮器４において凝縮した液冷媒は、戻り管９を経由して蒸発器３内に流入し、蒸発器３内で再度蒸発する際にウォームヘッド７と熱交換を行なう（ウォームヘッド７から熱を吸収する）。
【００６０】
ここで、導管８および戻り管９は蒸発器３の内周面の上部（ガス冷媒領域）に戻り管９からの導かれる冷媒が接触する位置に接続される。蒸発器上方の戻り管９から滴下される液冷媒は、蒸発器内の液冷媒に対して比較的低温であるので、冷却能力が大きい。ガス冷媒領域は、液冷媒が満たされていないため、液冷媒領域と比較すると高温であり、この高温箇所を冷却能力の大きい戻り管９から滴下される液冷媒にて冷却することにより、放熱サイクルの冷却能力を向上させることができる。
【００６１】
ここで、蒸発器３内でガス化した冷媒が導管８へ流入する際の速度（流速の一例としてはたとえば３０ｍ／ｓ程度）は非常に大きく、凝縮した液冷媒が戻り管９から蒸発器３内へ滴下される際の流量（流量の一例としてはたとえば９ｃｃ／ｍｉｎ程度）は比較的小さい。この結果、蒸発器３内へ流入する液冷媒が、大きな流速をもつ上記のガス冷媒とともに、液体状態のまま導管８へと流入する場合がある。このとき、蒸発器３内に十分な液冷媒が供給されないために、該蒸発器３の液位が下がり、また、戻り管９からの液冷媒が蒸発器３の内周面のガス冷媒領域に接触しないため冷却機能が低下する場合がある。
【００６２】
これに対し、本実施の形態に係る熱交換システムは、たとえば図２または図３に示すように、蒸発器３内において、戻り管９の開口部９Ａと蒸発器３の内周面１１Ａとの間の距離が、導管８の開口部８Ａと内周面１１Ａとの間の距離よりも小さい構造を有する。ここで、上記の距離は、開口部８Ａ，９Ａと内周面１１Ａとを直線で結んだ直線距離を意味する。
【００６３】
蒸発器３内における熱交換は、蒸発器３とウォームヘッド７との接触部付近、すなわち蒸発器３の内周面付近において最も活発に行なわれる。上記のように、戻り管９の開口部を蒸発器３の内周面１１Ａに近づけることで、蒸発器３内に流入した液冷媒が、該蒸発器３の内周面に達しやすくなり、液冷媒が液体状態のまま導管８へと流入することによる冷却機能の低下が防止される。
【００６４】
以下に、上記の導管８および戻り管９の構造について、さらに詳細に説明する。
【００６５】
上述した導管８および戻り管９の構造の一例としては、図２に示すように、導管８および戻り管９は蒸発器３の外周面１１に接続され、該戻り管９は導管８よりも蒸発器３の内周面１１Ａ側に突出している構造が挙げられる。このとき、好ましくは、戻り管９の先端が、蒸発器３の内周面１１Ａより約３ｍｍ程度離間された態様とする。上記先端と内周面１１Ａの距離を近づけすぎると流動抵抗になるため問題となる。
【００６６】
また、他の例としては、図３に示すように、導管８は蒸発器３の外周面１１に、戻り管９は蒸発器３の軸方向端面１２に接続されている構造であってもよい。
【００６７】
このように、本実施の形態に係る熱交換システムは、デバイス全体の構造上の制約に対して、蒸発器３に接続される導管８および戻り管９の構造について、複数のバリエーションが選択可能である。
【００６８】
なお、戻り管９を蒸発器３の軸方向端面１２に接続する場合、該戻り管９は、蒸発器３の吸熱部としてのコールドヘッド６配置側に対して軸方向反対側の端面１２に接続されていることが好ましい（図１参照）。
【００６９】
これにより、コールドヘッド６に対して比較的高温である冷媒からの熱伝達によって、コールドヘッド６の温度が上昇することを防ぎ、スターリング冷凍機の熱交換効率を向上させることができる。
【００７０】
上記のスターリング冷凍機および熱交換システムを作動させた際は、図２および図３に示すように、液面１３Ａを境界にして、蒸発器３内の下部に液冷媒領域１３が、上部に蒸発したガス冷媒領域１４が形成される。ここで、戻り管９は導管８よりも、ガス冷媒領域１４の周方向端面１５（導管８に近い側の周方向端面である。なお、図２及び図３においては、当該周方向端面は図示の都合上切断されていて、表示されていない。）側において蒸発器３に接続されていることが好ましい。
【００７１】
これにより、戻り管９から蒸発器３に流入する液冷媒が、蒸発器３から導管８へと流入するガスの気流に巻き込まれにくくなる。したがって、蒸発器３への液冷媒への供給が不足して、放熱サイクルの冷却機能が低下するのを防止することができる。
【００７２】
また、戻り管９は、図４に示すように、外周面１１に接続され、蒸発器３の内部で屈曲し、かつ蒸発器３内部で該蒸発器３の軸方向端面１２と交差する方向に延在する構造であってもよいし、図５に示すように、蒸発器３の外部で屈曲し、軸方向端面１２に接続され、かつ蒸発器３内部で該蒸発器３の軸方向端面１２と交差する方向に延在する構造であってもよい。
【００７３】
なお、図４および図５においては、蒸発器３内の軸方向のほぼ全体にわたって戻り管９が延在しているが、これは部分的な延在であってもよい。
【００７４】
上記のように、戻り管９を蒸発器３の軸方向端面１２と交差する方向に延在させることにより、蒸発器３の外部は図２，図３と同様の構造で、蒸発器３内の任意の軸方向の位置に戻り管９の開口部９Ａを設けることができる。したがって、導管８へと流入するガスの気流に対して、より巻き込まれにくい位置に液冷媒を滴下しやすくなり、該液冷媒が導管８へ逆流するのを防ぐ効果を高めることができる。
【００７５】
また、この場合、戻り管９は、図４，図５に示すように、蒸発器３の内部で複数の開口部９Ａを有することが好ましい。
【００７６】
これにより、凝縮した液冷媒を蒸発器３の軸方向に分散して滴下することができる。したがって、液冷媒を内周面１１Ａに幅広く接触させることができ、放熱サイクルの冷却効果を高めることができる。
【００７７】
さらに、複数の開口部９Ａの径は、戻り管９の上流から下流に向けて大きくすることが好ましい。これにより、流路抵抗の大きい戻り管９の下流側においても、液冷媒が滴下されやすくなる。したがって、各々の開口部９Ａからの滴下量をバランスよく分散させることができる。
【００７８】
上記の蒸発器３に係る変形例としては、図６に示すように、蒸発器３内において、導管８の開口部８Ａよりも下方に、該導管８に液冷媒が流入するのを防ぐ液冷媒流入防止部としての流入防止板１６を備えた構造が考えられる。
【００７９】
これは、蒸発器３内で冷媒が蒸発するときに、非常に大きな気泡となる場合がある。そのとき、液冷媒領域の液冷媒が気泡の上昇とともに持ち上げられ、飛散した液冷媒の一部が液体状態のまま導管８に流入することがある。このような現象が起きると、蒸発器３内の液冷媒量が減少するため、冷却能力が低下する。当該変形例に拠れば、流入防止板１６の作用により上記現象の発生を防ぐことができる。したがって、冷却機能が低下するのを防止することができる。
【００８０】
さらに、蒸発器３に係る他の変形例としては、図７に示すように、戻り管９とは別に、蒸発器３の複数の部分にそれぞれ接続され、該蒸発器３の複数の部分を連結し、該複数の部分間での液冷媒の流動を許容する連結管１７を備えた構造が考えられる。
【００８１】
これにより、複数（図７においては２つ）の蒸発器３の冷媒の液位の不均衡を調整することができるので、各々の蒸発器３の液位の低下が緩衝され、結果として放熱サイクルの冷却機能が低下するのを抑制することができる。
【００８２】
なお、本実施の形態に係る熱交換システムにおいて、上記の蒸発器３は、複数に分割されたものに限定されず、たとえば図８に示すような円環状の形状であってもよい。この場合、蒸発器３に接続される第１および第２の導管８Ｂ，８Ｃを備え、図８に示すように、導管８Ｂ，８Ｃと蒸発器３との接続位置間にて、蒸発器３に戻り管９を接続することが好ましい。
【００８３】
これにより、戻り管９から蒸発器３に滴下される凝縮した液冷媒（図８中の破線矢印）が、液面１３Ａから蒸発したガス冷媒が導管８に流入することよって生じる流れ（図８中の実線矢印）に巻き込まれにくくなり、該冷媒の導管８への逆流による蒸発器３内の液位の低下が抑制され、結果として、放熱サイクルの冷却機能が低下するのを防止することができる。
【００８４】
図９に、上述した熱交換システムを有するスターリング冷凍機を備えたスターリング冷却庫の一例を示す。
【００８５】
図９に示す冷却庫１８は、冷却空間として冷凍空間と冷蔵空間との少なくとも一方を備える。また該冷却庫１８は、スターリング冷凍機のウォームヘッドの冷却を行なう高温側熱搬送サイクル（放熱システム）として、上述した熱交換システム（図９中の破線）を備え、さらに、冷却庫内とスターリング冷凍機のコールドヘッドとの熱交換を行なう低温側熱搬送サイクル（吸熱システム）を備えている。
【００８６】
低温側熱搬送サイクルは、コールドヘッド６（図１参照）の周囲に接触して取り付けられた低温側凝縮器１９と、低温側戻り管２０および低温側導管２１により、低温側凝縮器１９と接続された低温側蒸発器２２とから構成された循環回路である。この回路内には二酸化炭素や炭化水素などが冷媒として封入されている。ここで、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、コールドヘッド６で発生した冷熱を伝達することができるように、低温側蒸発器２２を低温側凝縮器１９より下方に配置している。
【００８７】
図９に示すように、スターリング冷凍機は、冷却庫１８背面の上部に配置される。また、吸熱システムは冷却庫１８の背面側に配置され、放熱システムは冷却庫１８の上部側に配置される。なお、低温側蒸発器２２は、冷却庫１８内の背面部分に設けられた冷気ダクト２３に内設され、凝縮器４は冷却庫１８の上部に設けたダクト２４に内設される。
【００８８】
スターリング冷凍機１を作動させると、ウォームヘッド７（図１参照）で発生した熱が、凝縮器４を介してダクト２４内の空気と熱交換される。このとき、送風ファン２５により、ダクト２４内の暖かい空気が冷却庫１８の庫外へ排出されるとともに、冷却庫１８の庫外の空気が取り込まれ、熱交換が促進される。
【００８９】
一方、コールドヘッド６で発生した冷熱は、低温側蒸発器２２を介して冷気ダクト２３内の気流（図９中の矢印）と熱交換される。このとき、冷凍空間側ファン２６および冷蔵空間側ファン２７により、低温側蒸発器２２で冷却された冷気が、それぞれ冷凍空間２８および冷蔵空間２９に送風される。各冷却空間２８，２９からの暖かくなった気流は、冷気ダクト２３を介して再び低温側蒸発器２２に送られ、繰り返し冷却される。
【００９０】
上記の冷却庫１８に備えられたスターリング冷凍機は、上述の構成により、冷却機能が高い放熱サイクルを有し、この結果として、冷却庫の成績係数を向上させることができる。
【００９１】
なお、本実施の形態に係る熱交換システムを適用できるデバイスは、上記のスターリング冷凍機に限られるものではなく、同様の形状の熱源を有する任意のデバイスに適用することが可能である。具体的には、電車等に使われているサイリスタの冷却、金型の冷却などが考えられる。
【００９２】
なお、上記の熱交換システムにおいて、上述した各々の特徴部分を組み合わせて複合された効果を得るようにすることは、当初から予定されている。
【００９３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、蒸発器内の冷媒の液位の低下を抑制することができるので、冷却効率のよい熱交換システムおよび成績係数の高いスターリング冷却庫を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係る熱交換システムを取り付けたスターリング冷凍機の斜視図である。
【図２】本発明の１つの実施の形態に係る熱交換システムにおける蒸発器の斜視断面図である。
【図３】本発明の１つの実施の形態に係る熱交換システムにおける蒸発器の変形例の斜視断面図である。
【図４】本発明の１つの実施の形態に係る熱交換システムにおける、戻り管が軸方向端面に交差する方向に延在する蒸発器の斜視断面図である。
【図５】本発明の１つの実施の形態に係る熱交換システムにおける、戻り管が軸方向端面に交差する方向に延在する蒸発器の変形例の斜視断面図である。
【図６】本発明の１つの実施の形態に係る熱交換システムにおける、液冷媒流入防止板を有する蒸発器の斜視断面図である。
【図７】本発明の１つの実施の形態に係る、連結管を有する蒸発器を備えた熱交換システムの斜視図である。
【図８】本発明の１つの実施の形態に係る熱交換システムにおける蒸発器の他の変形例の模式図である。
【図９】本発明の１つの実施の形態の熱交換システムを備えたスターリング冷却庫の側面断面図である。
【符号の説明】
１  スターリング冷凍機、２  支持台、２Ａ  支持部、３，３Ａ，３Ｂ  蒸発器、４  凝縮器、４Ａ  折り曲げ管、４Ｂ  フィン、４Ｃ  導管側ヘッダーパイプ、４Ｄ  戻り管側ヘッダーパイプ、５  圧力容器、６  コールドヘッド、７  ウォームヘッド、８  導管、８Ａ  開口部（導管）、８Ｂ  第１の導管、８Ｃ  第２の導管、９  戻り管、９Ａ  開口部（戻り管）、１０  バンド、１１  外周面、１１Ａ  内周面、１２  軸方向端面、１３  液冷媒領域、１３Ａ  液面、１４  ガス冷媒領域、１５  周方向端面、１６  流入防止板、１７  連結管、１８冷却庫、１９  低温側凝縮器、２０  低温側戻り管、２１  低温側導管、２２低温側蒸発器、２３  冷気ダクト、２４  ダクト、２５  送風ファン、２６  冷凍空間側ファン、２７  冷蔵空間側ファン、２８  冷凍空間、２９  冷蔵空間。
【図１】
2005042949.tif 000003
【図２】
2005042949.tif 000004
【図３】
2005042949.tif 000005
【図４】
2005042949.tif 000006
【図５】
2005042949.tif 000007
【図６】
2005042949.tif 000008
【図７】
2005042949.tif 000009
【図８】
2005042949.tif 000010
【図９】
2005042949.tif 000011