(57)【要約】  【課題】  スターリング冷凍機の高熱側に取設して熱移送の効率をあげる熱交換器を提供する。  【解決手段】  高熱側の熱交換器２０は、スターリング冷凍機の高熱部に熱的に接続され該高熱部よりの高熱を直接受熱し作動流体を蒸発させて熱交換するための高熱側の熱交換器２０を、内径側円筒ベース板２１、伝熱パイプ２２、伝熱材２３、外形側円筒ベース板２４、放熱フィン２５、冷媒分岐管２６、冷媒集合管２７を備えて構成している。前記スターリング冷凍機の熱交換器は、蒸発側配管と液側配管と凝縮器とを有する高熱移送装置内を循環する作動流体の熱サイクルを利用して熱移動させるとともに、放熱フィン２５によりスターリング冷凍機の放熱部から直接の温排熱が効率よく除去できるので、小さい凝縮器においてもスターリング冷凍機の冷凍効率を高めることができる。  【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高熱側に取設して内部配管内の作動流体を蒸発させる熱交換器において、前記内部配管の外周部に放熱フィンを熱的に接続したことを特徴とするスターリング冷凍機用の熱交換器。
【請求項２】
前記放熱フィンが前記作動流体の入口側の前記内部配管外周部側に熱的に接続したことを特徴とする請求項１に記載のスターリング冷凍機用の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング冷凍機の高熱部より温排熱を除去する熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば自動販売機においては、冷凍サイクルを用いて商品の冷却を行うのが一般的である。冷凍サイクルは、蒸発器、圧縮機、膨張機および凝縮器を備えて構成されたものであり、そのような冷凍サイクルにおいては、フロン系冷媒が用いられていた。
しかしながら、フロン系冷媒は大気中に放出されると、オゾン層を破壊する、または、地球を温暖化する虞れがある。そのため、環境保護の観点からフロン系冷媒の使用が世界的に規制される趨勢にある。
そのような背景において、近年、スターリング冷凍機が注目されている。スターリング冷凍機は、外部に圧縮機や凝縮器等を備えていない自己冷却型の冷凍機であり、内部の作動ガスを往復圧縮機で圧縮、膨張させることで、低温の冷熱部と、高温の高熱部とを発生するものである。ここに、作動ガスとしては、ヘリウムガス等が用いられており、フロン系のガスを用いないので、スターリング冷凍機は地球環境に優しいものである。また、スターリング冷凍機は小型であり、高エネルギー効率を有することも周知である。
【０００３】
また、自動販売機に搭載されたスターリング冷凍機の高熱部より温排熱を除去する熱交換器としては、自動販売機の下部に位置する機械室内に収納され、高熱部の周円部を円筒管で囲ぎょうし、作動流体を循環させることにより温排熱を放出するものが知られている。（特許文献１）
【特許文献１】特開２００４−２７８９６７号公報（図１、段落番号００１６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の排熱構造には下記の問題があり、このため、放熱部の温度が高くなり、スターリング冷凍機の冷凍効率が低減する。
１）スターリング冷凍機は、ガスの圧縮および膨張による冷凍効果を利用するものであり、圧縮・膨張空間が限定されるために、放熱部の面積が小さい。
２）また、自動販売機内にスターリング冷凍機を配設する場合には、凝縮器、蒸発器ともに同じ機械室内に配置することになり、機械室の容積から凝縮器の大きさが制限される。
そこで、本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、スターリング冷凍機の高熱部から発生する温排熱を効率よく除去する熱交換器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】
【０００５】
本発明の請求項１に係るスターリング冷凍機用の熱交換器は、スターリング冷凍機の高熱側に取設して内部配管内の作動流体を蒸発させる熱交換器において、前記内部配管の外周部に放熱フィンを熱的に接続したことを特徴とする。
また、本発明の請求項２に係るスターリング冷凍機用の熱交換器は、前記請求項１において、前記放熱フィンが前記作動流体の入口側の前記内部配管外周部側に熱的に接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の請求項１に係るスターリング冷凍機用の熱交換器によれば、スターリング冷凍機の高熱側に取設して内部配管内の作動流体を蒸発させる熱交換器と、該作動流体を凝縮する凝縮器と、該凝縮器を冷却する冷却ファンと、該熱交換器と該凝縮器を繋ぐ蒸発側配管と液側配管とにより構成される蒸発、蒸気移動、凝縮、液還流の熱サイクルを利用して大量に熱移動させるとともに、放熱フィンによりスターリング冷凍機の放熱部から直接の温排熱が効率よく除去できるので、小さい凝縮器においてもスターリング冷凍機の冷凍効率を高めることができる。
また、本発明の請求項２に係るスターリング冷凍機用の熱交換器によれば、放熱フィンが蒸発側配管側の温度の高い内部配管の外周部側に熱的に接続してあるので、機械室内の配置スペースが限定され凝縮器用ファンの風が当らない場合であっても、スターリング冷凍機の冷凍効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）図１〜図４は、本発明に係る熱交換器の実施形態１を示した説明図である。図１は本発明に係る熱交換器を取設したスターリング冷凍機を搭載した自動販売機の側断面図、図２は本発明に係るスターリング冷凍機の熱交換器における実施形態１の斜視図、図３は本発明に係るスターリング冷凍機の熱交換器における実施形態１の正面図、図４は図３のＡ−Ａ断面図を示す。
図１において、スターリング冷凍機１は、自動販売機２の下部２ａに横置きに載置されており、稼動することにより発生する低温の冷熱部３と、高温の高熱部４とを有している。冷熱部３および高熱部４はともに円筒状の形状をなし、その周円部をそれぞれ冷熱移送装置７０と高熱移送装置１０とを熱的に接合している。
【０００８】
高熱移送装置１０は、スターリング冷凍機１の高熱部４より発生した高熱を自動販売機２の外へ放熱させるためのものであり、高熱側の熱交換器２０、凝縮部３０、蒸気流路（蒸発側配管）４０、液体流路（液側配管）５０、ポンプ６０を備えて構成してある。ここに、作動流体としては、水、二酸化炭素等のような冷媒が用いられている。
高熱側の熱交換器２０は、スターリング冷凍機１の高熱部４に熱的に接続してあり、直接高熱部４よりの高熱を受熱し作動流体を蒸発させて熱交換するための高熱側の熱交換器である。そして、高熱側の熱交換器２０は、図２〜４に示すように内径側円筒ベース板２１、伝熱パイプ２２、伝熱材２３、外形側円筒ベース板２４、放熱フィン２５、冷媒分岐管２６、冷媒集合管２７を備えて構成してある。
内径側円筒ベース板２１は、スターリング冷凍機１の高熱部４と直接接触して熱を移送するためのものであり、スターリング冷凍機１の高熱部４との隙間には、伝熱グリースが充填され、熱伝達効率を良くしてある。
【０００９】
伝熱パイプ２２は、その内部に作動流体が封入され、スターリング冷凍機１の高熱部４よりの排熱を外部へ送出するためのものであり、銅のような熱伝導性の良い材料で、複数の細い配管が内径側円筒ベース板２１の外周部に沿って円筒状に曲成されている。
外形側円筒ベース板２４は、伝熱パイプ２２と放熱フィン２５とを熱的に結合させるためのものであり、伝熱パイプ２２の外周部に沿って平板を折曲加工されている。そして、内径側円筒ベース板２１と外形側円筒ベース板２４との囲まれた伝熱パイプ２２との周囲は、ハンダ、銀ローなどの熱伝導性の良い伝熱材２３で熱結合されている。
放熱フィン２５は、外形側円筒ベース板２４の外周部に沿って折曲されているコルゲート状のフィンであり、厚さの薄いアルミ製であり、外形側円筒ベース板２４の外周部とロー付けされている。放熱フィン２５は、プレート状のフィンでも良い。
【００１０】
冷媒分岐管２６は、凝縮部３０より凝縮された冷媒を冷媒管２２に分岐するためのものであり、一の冷媒分岐管２６に並列して複数の冷媒管２２が結合している。冷媒分岐管２６は、冷媒管２２よりも十分に太い管径を有している。
冷媒集合管２７は、複数の冷媒管２２内の蒸発した冷媒を集合させて凝縮部３０へ送出するためのものである。一の冷媒集合管２７は、一の冷媒管２２よりも十分に太い管径を有し、複数の冷媒管２２を並列結合している。
凝縮部３０は、高熱部からの作動流体を凝縮し、高熱部からの熱を自動販売機２の外部へ排熱するためのものである。より詳細に説明すると、凝縮部３０は、その内部に複数のＵ字管を折り返すように直列に接続して形成された作動流体の流路と、その外部に取設された熱交換用フィンとで構成された、いわゆるフィンアンドチューブ型の凝縮器３１と、その凝縮器３１を冷却する室外ファン３２とを有している。また、室外ファン３２の吐出方向には、放熱フィン２５を介して自動販売機２の背面開口部へ繋がる風路が形成されている。
【００１１】
蒸気流路４０は、高熱側の熱交換器２０と凝縮部３０とを繋ぐ流路であり、蒸発部２０で気化された作動流体を、蒸発部２０から凝縮部３０まで移動させるためのものである。液体流路５０は、凝縮部３０と高熱側の熱交換器２０とを繋ぐ流路であり、凝縮部３０で凝縮された作動流体を、ポンプ６０にて凝縮部３０から蒸発部２０まで移動させるためのものである。
図1に示す冷熱移送装置７０は、スターリング冷凍機１の冷熱部３よりの冷熱を自動販売機内へ移送させるためのものであり、受熱部７１、蒸発部７２、冷却ファン７３、蒸気流路７４、液体流路７５を備えて構成してある。ここに、作動流体としては、例えば二酸化炭素等のように高圧下では液体であって、スターリング冷凍機１の冷熱部３からの冷熱では凝縮される冷媒が用いられている。
【００１２】
それら蒸気流路７４と液体流路７５との配置関係は、蒸気流路７４が液体流路７５の上方に位置するようになっている。これは、蒸気流路７４を通る作動流体の密度の方が、液体流路７５を通る作動流体の密度よりも小さいためである。従って、蒸気流路７４は、受熱部７０の上部の先端側にヘッダ（図示せず）を介して接続してある一方、液体流路７５は、該受熱部７０下部の先端側にヘッダ（図示せず）を介して接続してある。これにより、蒸発部２０の内部の流路を作動流体は、その重力によって流れることができる。
このような作動流体の循環回路は、上述のように、蒸気流路７４と液体流路７５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。
蒸発器７２は、冷熱部３からの作動流体を気化し、冷熱部３からの熱を自動販売機の庫内に供給すて商品を冷却するためのものである。より詳細に説明すると、蒸発器７２は、その内部に複数のＵ字管を直列に接続して形成された作動流体の流路と、その外部に取設された熱交換用フィンとで構成されたいわゆるフィンアンドチューブ型の熱交換器である。冷却ファン７３は、蒸発器７２内の作動流体を気化し、その気化熱を自動販売機の庫内に移送するためのものであり、いわゆるプロペラ型のファンである。
【００１３】
次に前述したような構成の高熱移送装置１０の動作について説明する。この高熱移送装置１０は、次のようにしてスターリング冷凍機１の高熱部４から得た高熱を自動販売機２の外に排熱し、スターリング冷凍機１の冷却効率を向上させる。
スターリング冷凍機１を稼動させると、スターリング冷凍機１は、低温の冷熱部３と、高温の高熱部４とに低温と高温の熱を発生する。スターリング冷凍機１の高熱部４に熱的に接続している高熱側の熱交換器２０においては、凝縮液である作動流体（液体状態）が高熱部４から得た高熱により気化、蒸気（気体状態）になり、蒸気流路４０を通じて凝縮部３０まで移動することになる。より具体的に説明すると、スターリング冷凍機１の高熱部４より発生する熱は、伝熱パイプ２２内の作動流体を気化して気化熱として蒸気流路４０を介して凝縮部３０へ移送される一方、一部は放熱フィン２５より直接高熱側の熱交換器２０外に放熱される。
【００１４】
凝縮部３０においては、蒸気である作動流体（気体状態）は、熱交換用フィンを介して外気から得た熱により凝縮され、凝縮液（液体状態）になる。換言すると、蒸気流路４０より移送された熱は、凝縮部３０において凝縮熱に変換され、室外ファン３２により外部に放出される。
すなわち、図１の矢印で図示すように放熱部より発生した高熱は、高熱側の熱交換器２０の熱交換器で気化熱となって移送される一方、放熱フィン２５により直接放熱される。そして、蒸発流路４０を通過して凝縮器３１にて凝縮熱に変換され、その凝縮熱は室外ファン３２によって凝縮部３０の外に取り出される。そして、取り出された排気熱は放熱フィン２５により直接放出された放出熱と一緒に自動販売機２の外部へ排熱される。しかも、室外ファン３２によって送風される風によって放熱フィン２５の熱伝達が促進される。
【００１５】
以上のような高熱移送装置１０によれば、作動流体を相変化させながら、上記高熱側の熱交換器２０、蒸気流路４０、凝縮部３０および液体流路５０の間を循環させるとともに、放熱フィン２５によりスターリング冷凍機の放熱部の温排熱が効率よく除去できるので、小さい凝縮器においてもスターリング冷凍機の冷凍効率を高めることができる。
（実施の形態２）次に、本発明に係るスターリング冷凍機の熱交換器の実施形態２を図５〜７示す。図５は本発明に係る熱交換器実施形態２の正面図、図６は図５のＢ―Ｂ断面図、図７は図５のＣ―Ｃ断面を示す。図５〜７示す実施形態２が本発明の実施形態１と異なる点は、高熱側の熱交換器２０Ａにおける放熱フィン２９の配置であり、その他は本発明の実施の形態１と同様である。
放熱部の熱交換器２０Ａは、図５〜７に示すように内径側円筒ベース板２１、伝熱パイプ２２、伝熱材２３、外形側円筒ベース板２８、放熱フィン２９、冷媒分岐管２６、冷媒集合管２７を備えて構成してある。内径側円筒ベース板２１、伝熱パイプ２２、冷媒分岐管２６、冷媒集合管２７は、実施の形態１と同様な形態を呈している。
【００１６】
伝熱材２３は、伝熱パイプ２２の冷媒分岐管２６側半円周部においては、図６に示すように内径側円筒ベース板２１と伝熱パイプ２２との間を熱的に結合させ、また、伝熱パイプ２２の冷媒集合管２７半周部においては、図７に示すように内径側円筒ベース板２１、伝熱パイプ２２、外形側円筒ベース板２８との間を熱的に結合させている。
外形側円筒ベース板２８は、伝熱パイプ２２の冷媒集合管２７半周部を伝熱パイプ２２の外周部に沿って平板を円筒状に曲成されている。放熱フィン２９は、外形側円筒ベース板２８の外周部に沿って折曲されているコルゲート状のフィンであり、厚さの薄いアルミ製であり、外形側円筒ベース板２８の外周部とロー付けされている。放熱フィン２９は、プレート状のフィンでも良い。
かかる構成において、スターリング冷凍機１（図1参照）を駆動すれば、スターリング冷凍機１の高熱部４より発生する熱は、冷媒分岐管２６より流入する凝縮液である作動流体に伝達され、作動流体を気化させて凝縮部３０（図1参照）へ移送され、伝熱パイプ２２の冷媒集合管２７半円周部においては、放熱フィン２５より放熱される。
【００１７】
室外ファン３２（図1参照）の放熱フィンが蒸発側配管側の温度の高い内部配管の外周部側に熱的に接続してあるので、室外ファン３２とスターリング冷凍機１との機械室内の配置構成上において、機械室内の配置スペースが限定され凝縮器用ファンの風が当らない場合であっても、放熱フィンがない場合と比較してスターリング冷凍機の冷凍効率を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
以上のように、本発明は、例えば断熱筐体の内部雰囲気を冷却するための冷却装置および自動販売機として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る実施形態１のスターリング冷凍機の熱交換器を搭載した自動販売機の側断面図
【図２】本発明に係る実施形態１に関するスターリング冷凍機の熱交換器の斜視図
【図３】本発明に係る実施形態１に関するスターリング冷凍機の熱交換器の正面図
【図４】図３のＡ−Ａ断面図
【図５】本発明に係る実施形態２に関するスターリング冷凍機の熱交換器の正面図
【図６】図５のＢ−Ｂ断面図
【図７】図５のＣ−Ｃ断面図
【符号の説明】
【００２０】
１        スターリング冷凍機
２        自動販売機
３        冷熱部
４        高熱部
１０      高熱移送装置
２０      熱交換器
２０Ａ    熱交換器
２１      内径側円筒ベース板
２２      伝熱管
２４      外径側円筒ベース板
２５      放熱フィン
２６      冷媒分岐管
２７      冷媒集合管
２８      外径側円筒ベース板
２９      放熱フィン
３０      凝縮部
３１      凝縮器
３２      室外ファン
４０      蒸気流路
５０      液体流路
６０      ポンプ
７０      冷熱移送装置
７２      蒸発器
７３      冷却ファン
【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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【図６】
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【図７】
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