冷却装置
【課題】サーモサイフォンを用いて冷媒が自然対流する自然循環回路において、所望の冷却効率を維持したまま、冷媒の流通抵抗、該回路内の冷媒充填量および各経路の断面積の増加を招くことなく、安価でコンパクトな冷却装置を提供する。
【解決手段】二次冷却装置４０は、気相二次冷媒を液化するカスケード熱交換器ＨＥの二次熱交換部４２と、液相二次冷媒を気化する蒸発器ＥＰを備える。二次冷却装置４０は、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとを接続する液配管４４およびガス配管４６を備える複数の自然循環回路４８が設けられる。蒸発器ＥＰには、各自然循環回路４８の蒸発経路５２が上下に離間して層状に設けられる。蒸発経路５２は、二次冷媒が流通する蒸発管の外周にフィンを螺旋状に巻き付けたスパイラルフィンチューブ型の熱交換器で構成される。
【解決手段】二次冷却装置４０は、気相二次冷媒を液化するカスケード熱交換器ＨＥの二次熱交換部４２と、液相二次冷媒を気化する蒸発器ＥＰを備える。二次冷却装置４０は、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとを接続する液配管４４およびガス配管４６を備える複数の自然循環回路４８が設けられる。蒸発器ＥＰには、各自然循環回路４８の蒸発経路５２が上下に離間して層状に設けられる。蒸発経路５２は、二次冷媒が流通する蒸発管の外周にフィンを螺旋状に巻き付けたスパイラルフィンチューブ型の熱交換器で構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱交換部と蒸発器との間の温度勾配を利用して、冷媒を自然対流させる自然循環回路を備えた冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷媒を自然対流させるサーモサイフォンを用いた冷却装置が、冷蔵庫等の貯蔵設備や空調設備に採用されている(例えば、特許文献１参照)。サーモサイフォンを用いた冷却装置は、図２０に示すように、気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする凝縮器６４と、この凝縮器６４の下方に配置されて、液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする蒸発器６６とを有し、液化冷媒を凝縮器６４から蒸発器６６へ液配管６８を介して流下させると共に、気化冷媒を蒸発器６６から凝縮器６４へガス配管７０を介して流通させる自然循環回路７２が構成される。
【０００３】
前記凝縮器６４および蒸発器６６では、内部に設けた冷媒経路６４ａ,６６ａを流通する冷媒が外気や水等の他の媒体と熱交換することで、冷媒が凝縮または蒸発するようになっている。すなわち、冷却装置の冷却効率は、冷媒と他の媒体との間で交換される熱量に依存するので、冷却装置では、凝縮器６４および蒸発器６６に蛇行状の冷媒経路６４ａ,６６ａを設けることで、冷媒経路６４ａ,６６ａと他の媒体との接触面積(以下、熱交換面積という)を大きくしている。
【０００４】
また、前記蒸発器６６の形態としては、複数の平行な平板状のフィンを貫通する直線配管と、該直線配管の端部に溶接されるＵ字状に折れ曲ったベンド部とから、冷媒経路６６ａを蛇行状に形成した所謂フィンアンドチューブ型の熱交換器が採用されている(例えば、特許文献１参照)。このフィンアンドチューブ型の熱交換器は、配管密度を比較的容易に向上させ得る特徴があることから、空冷式の熱交換器として広く採用されている。また、蒸発器の別形態として、冷媒が流通する蒸発管の外周囲にフィンを螺旋状に巻き付けると共に蛇行状に折り曲げたスパイラルフィンチューブ型の熱交換器も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−９６４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記冷却装置では、所要の冷却効率が得られる熱交換面積を確保するために必要な配管長を設定すると、冷媒経路６４ａ,６６ａが長くなって該経路６４ａ,６６ａにおける冷媒の流通抵抗が大きくなると共に、長くなる冷媒経路６４ａ,６６ａをコンパクトにするのに冷媒経路６４ａ,６６ａの屈曲部分が多くなるので、冷媒の流通抵抗が更に大きくなる。また冷却装置の如くサーモサイフォンを用いた方式では、凝縮器６４と蒸発器６６との間の温度勾配を利用して冷媒を自然対流する構成であるから、冷媒をポンプ等で強制循環させる方式と比べて冷媒の循環力が弱く、僅かな圧力損失や冷媒に対する流れ抵抗によって、冷媒の円滑な流動が大きく妨げられる。そして、冷媒経路６４ａ,６６ａにおいて、冷媒の流動が円滑に行なわれなくなると、蒸発器６６を含む自然循環回路７２内での冷媒の循環が悪くなったり、冷媒が逆流したりして冷熱の運搬能力が低下し、対象を効率よく冷却できない問題が生じる。そこで、前記冷却装置では、冷却効率を低下させないために、冷媒の循環量に応じて冷媒経路６４ａ,６６ａの断面積を大きく設定して冷媒の流通抵抗を減少させることで、僅かな圧力損失に大きな影響を受ける冷媒の流動状態を安定させる必要がある。しかし、冷媒経路６４ａ,６６ａを構成する配管が大径化することで、冷媒経路を形成する上での制約が大きくなると共に、凝縮器６４や蒸発器６６の大型化を招き、コストの上昇に繋がってしまう。
【０００７】
ここで、前記フィンアンドチューブ型の熱交換器は、配管の密度を上げることができる反面、直線配管とベンド部とを溶接するため、冷媒の流通経路内に複数の溶接部が存在し、冷媒漏れに対する信頼性が低い難点がある。しかも、フィンアンドチューブ型の熱交換器では、熱交換効率を向上するべく平板状の各フィンの間隔を狭くすると、平板状の各フィンが隣り合う全ての直線配管に接続されているため、隣り合う直線配管の間のフィンにも霜が成長し易く、配管間の隙間が霜で塞がれて空気の流れを阻害する問題を招き易い構造であった。
【０００８】
これに対し、前記スパイラルフィンチューブ型の熱交換器は、フィンアンドチューブ型の熱交換器とは異なり、その製造過程で配管同士の溶接や配管の拡管加工を行なう必要がなく、製造工程が大きく簡素化されると共に、冷媒の流通経路内に配管の溶接部が存在しないから冷媒漏れに対する信頼性も高い利点がある。またスパイラルフィンチューブ型の熱交換器は、蒸発管にフィンを螺旋状に巻き付ける構造であるため、熱交換効率を向上するべくフィンの螺旋ピッチを狭くしても、隣り合う直線配管のフィンが相互に接触していないため、該フィンに霜が成長したとしても配管間の隙間は塞がれ難く、着霜による目詰りが発生し難い構造である
【０００９】
しかしながら、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器は、フィンを巻きつけた後に蒸発管を曲げ加工するため、前述したように冷媒の流通抵抗を減少させるために蒸発管を大径化すると、最小曲げ半径が大きくなり、配管密度が疎な状態となるので、蒸発器のコンパクト化が困難であった。このため、フィンアンドチューブ型の熱交換器と同程度まで蒸発管の配管密度を上げることは難しく、サーモサイフォンを用いた冷却装置の蒸発器としては、フィンアンドチューブ型の熱交換器に対してコスト、冷媒漏れに対する信頼性、および霜による目詰り抑制等の点で優れているスパイラルフィンチューブ型の熱交換器を採用していないのが現状である。
【００１０】
前述したような冷却装置による冷却効率を向上するための構成や、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器は、熱交換器を大型化することで採用が可能となる。しかしながら、冷却装置が用いられる冷蔵庫では、その商品上の価値として庫内容積を大きくすることが挙げられ、これを確保するためには庫内熱交換器(蒸発器)をコンパクトに設計することが肝要であり、安易に熱交換器を大型化することは難しい。むしろ、潜在的には庫内熱交換器(蒸発器)を更にコンパクトに設計することが求められている。すなわち、限られた空間で効率よく熱交換を行なうための冷却装置が希求されているのが実状である。
【００１１】
すなわち本発明は、従来の技術に係る冷却装置に内在する前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、サーモサイフォンを用いて冷媒が自然対流する自然循環回路において、所望の冷却効率を維持したまま、冷媒の流通抵抗、該回路内の冷媒充填量および各経路の断面積の増加を招くことなく、安価でコンパクトな冷却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】
【００１２】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明の冷却装置は、
凝縮経路を流通する気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする熱交換部と、この熱交換部の下方に配置され、内部の蒸発経路を流通する液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする管状の蒸発管とを有し、液化冷媒を熱交換部の凝縮経路から前記蒸発経路へ液配管を介して流下させると共に、気化冷媒を前記蒸発経路から熱交換部の凝縮経路へガス配管を介して流通させる自然循環回路を設けた冷却装置において、
互いに独立した複数の自然循環回路と、複数の自然循環回路の蒸発管の集合で構成される蒸発器とを備えると共に、各自然循環回路を循環する冷媒として二酸化炭素を用い、
前記各蒸発管は、蒸発管群を流通する空気の流れ方向と交差する横方向に直線部分が延在するよう蛇行状に折り曲げて形成され、
前記蒸発管における前記空気の流れ方向下流側の部位に前記液配管が接続されると共に、前記蒸発管における前記空気の流れ方向上流側の部位に前記ガス配管が接続され、
前記複数の蒸発管は、相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置されることを特徴とする。
【００１３】
請求項１に係る発明によれば、夫々の自然循環回路が、経路や配管の分岐を伴わず互いに独立して１つの回路を構成するように、凝縮経路と蒸発経路とが液配管およびガス配管で接続されている。そして、熱交換部および蒸発器において要求される熱交換面積に応じた数の自然循環回路を冷却装置に設けることで、必要とされる凝縮経路および蒸発経路を熱交換部および蒸発器に配置することができ、回路全体として必要とされる熱交換面積が担保される。これにより、凝縮経路および蒸発経路の１本当たりに必要とされる熱交換面積が小さくなり、各凝縮経路および各蒸発経路の必要長さを抑えることができる。各凝縮経路および各蒸発経路の長さが短くなることから、経路の長さに由来する流通抵抗が小さくなると共に、蛇行させる回数を減らして経路の屈曲部分に由来する流通抵抗を減らすことも可能となる。この結果、従来では流通抵抗が大きくなり過ぎて不可能であった従来と比して小さい断面積で各凝縮経路および各蒸発経路を設定でき、各凝縮経路および各蒸発経路に流通させる冷媒量を減少させることができる。このように、各凝縮経路および各蒸発経路の長さや断面積を減じることが可能であるので、熱交換部や蒸発器をコンパクトにできると共に、循環する冷媒量を低減することで、回路の圧力上昇を緩和する膨張タンクの容量等の付帯設備も小さくなるので、全体としてコンパクトにすることができ、コストダウンも可能となる。しかも、各自然循環回路は互いに独立しているので、冷媒の偏流が生じ難く、冷媒を円滑に自然対流させることができる。
また、蒸発管群を流通する空気の流れ方向下流側から上流側に冷媒が流動するよう構成すると共に、冷媒として伝熱性能に優れた二酸化炭素を用いることで、蒸発器での熱交換効率を低下させることなく熱交換面積の小さな小径の蒸発管を採用することができ、蒸発器のコストを低減し得ると共によりコンパクト化を図り得る。更に、複数の蒸発管を相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置する構成により、これら複数の蒸発管が熱交換効率の高い蒸発器として機能する。
【００１４】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項２に係る発明の冷却装置は、
凝縮経路を流通する気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする熱交換部と、この熱交換部の下方に配置され、内部の蒸発経路を流通する液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする管状の蒸発管とを有し、液化冷媒を熱交換部の凝縮経路から前記蒸発経路へ液配管を介して流下させると共に、気化冷媒を前記蒸発経路から熱交換部の凝縮経路へガス配管を介して流通させる自然循環回路を設けた冷却装置において、
前記自然循環回路は、複数の蒸発管の集合で構成される蒸発器と、該複数の蒸発管と同数の凝縮経路とを備えると共に、該自然循環回路を循環する冷媒として二酸化炭素を用い、
前記凝縮経路の流出端に接続する液配管を、当該凝縮経路の流入端に連結したガス配管が接続している蒸発管と別の蒸発管に接続すると共に、蒸発管の流出端に接続するガス配管を、当該蒸発管の流入端に連結した液配管が接続している凝縮経路と別の凝縮経路に接続して、全体として１つの自然循環回路を構成し、
前記各蒸発管は、蒸発管群を流通する空気の流れ方向と交差する横方向に直線部分が延在するよう蛇行状に折り曲げて形成され、
前記蒸発管における前記空気の流れ方向下流側の部位に前記液配管が接続されると共に、前記蒸発管における前記空気の流れ方向上流側の部位に前記ガス配管が接続され、
前記複数の蒸発管は、相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置されることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に係る発明によれば、経路や配管の分岐を伴わず全体として１つの自然循環回路を構成するように、凝縮経路と蒸発経路とが液配管およびガス配管で接続されている。すなわち、熱交換部および蒸発器において要求される熱交換面積に応じた数の凝縮経路および蒸発経路を適宜に配置することができる。これにより、凝縮経路および蒸発経路の１本当たりに必要とされる熱交換面積が小さくなり、各凝縮経路および各蒸発経路の必要長さを抑えることができる。各凝縮経路および各蒸発経路の長さが短くなることから、経路の長さに由来する流通抵抗が小さくなると共に、蛇行させる回数を減らして経路の屈曲部分に由来する流通抵抗を減らすことも可能となる。この結果、従来では流通抵抗が大きくなり過ぎて不可能であった従来と比して小さい断面積で各凝縮経路および各蒸発経路を設定でき、各凝縮経路および各蒸発経路に流通させる冷媒量を減少させることができる。このように、各凝縮経路および各蒸発経路の長さや断面積を減じることが可能であるので、熱交換部や蒸発器をコンパクトにできると共に、循環する冷媒量を低減することで、回路の圧力上昇を緩和する膨張タンクの容量等の付帯設備も小さくなるので、全体としてコンパクトにすることができ、コストダウンも可能となる。しかも、複数の凝縮経路および複数の蒸発経路を設けても、経路や配管の分岐を伴わずに全体として１つの自然循環回路となっているので、複数の凝縮経路および複数の蒸発経路に対して冷媒がバランスよく流通して、冷媒の偏流が生じず、冷媒を円滑に自然対流させることができる。
また、蒸発器を構成する蒸発管群を流通する空気の流れ方向下流側から上流側に冷媒が流動するよう構成すると共に、冷媒として伝熱性能に優れた二酸化炭素を用いることで、蒸発器での熱交換効率を低下させることなく熱交換面積の小さな小径の蒸発管を採用することができ、蒸発器のコストを低減し得ると共によりコンパクト化を図り得る。更に、複数の蒸発管を相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置する構成により、これら複数の蒸発管が熱交換効率の高い蒸発器として機能する。
【００１６】
請求項３の発明では、前記蒸発経路の液配管が接続する流入端は、ガス配管が接続する流出端より下方に位置していることを要旨とする。
請求項３に係る発明によれば、蒸発経路の流入端を流出端より下方に位置させることで、蒸発器で蒸発する冷媒の循環を速やかに行なうことができる。
【００１７】
請求項４に係る発明では、前記各蒸発管は、前記直線部分が少なくとも一部を上下に重なるよう配置された段差部によって蒸発管群を流通する空気の流れ方向において階段状に形成され、該階段状に形成された複数の蒸発管は、各段が上下の関係となるよう層状に配置されることを要旨とする。
請求項４に係る発明によれば、直線部分が少なくとも一部を上下に重なるよう配置された段差部によって蒸発管を階段状に形成することで、各蒸発管における熱交換長を、同一平面上で蛇行するよう形成した場合に比べて長くすることができ、同一能力の蒸発器を少ない本数の蒸発管で構成してコストを低減し得る。
【００１８】
請求項５に係る発明では、前記蒸発管の外周囲に伝熱促進部材が配設されると共に、蛇行状に折り曲げられている該蒸発管における隣り合う直線部分の伝熱促進部材は相互に離間するよう構成され、
前記複数の蒸発管は、前記伝熱促進部材が相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置されることを要旨とする。
請求項５に係る発明によれば、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器を採用することで、蒸発器のコストを低減し得ると共に、冷媒漏れに対する信頼性を向上することができ、更には熱交換効率の向上を図りつつ霜による目詰りの発生を抑制し得る。なお、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器の懸念事項として、配管密度を上げ難い点が挙げられるが、冷媒として用いられる二酸化炭素の優れた伝熱性能が、配管密度の低い状態で形成された配管群の冷媒側の伝熱性能を補償するため、蒸発器として適切に機能しうる。
【００１９】
請求項６に係る発明では、冷媒を強制循環させる機械圧縮式の一次側の回路に対して、前記自然循環回路が前記熱交換部を介して熱的に接続されることを要旨とする。
請求項６に係る発明によれば、所謂二次ループ式冷凍回路を構成した設備における二次側として自然循環回路を用いることで、所望の冷却効率を損なうことなく、設備全体をコンパクトで安価な構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る冷却装置によれば、所望の冷却効率を維持したまま、冷媒の流通抵抗、該回路内の冷媒充填量および各経路の断面積の増加を招くことなく、安価でコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の好適な実施例１に係る冷却装置を冷却設備の二次回路として備えた冷蔵庫を示す側断面図である。
【図２】実施例１の冷却装置を二次回路として備えた冷却設備の要部を示す概略回路図である。
【図３】実施例１に係る蒸発経路を示す要部正面図である。
【図４】実施例１に係る蒸発経路を示す平面図である。
【図５】実施例１に係る蒸発器を示す概略側面図である。
【図６】本発明の好適な実施例２に係る冷却装置を二次回路として備えた冷却設備の要部を示す概略回路図である。
【図７】変更例に係る蒸発器を示す概略側面図である。
【図８】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図９】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１０】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１１】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１２】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１３】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１４】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１５】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１６】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１７】伝熱促進部材を設けない変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１８】伝熱促進部材を設けない変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１９】別の変更例に係る蒸発器を示す概略側面図である。
【図２０】従来の技術に係る冷却装置の自然循環回路を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
昨今では、冷蔵庫や冷凍庫等の冷却装置を備えた設備において、冷媒としてのフロンの使用が地球温暖化防止の観点から制限されている。特に、業務用冷凍機器等の大型な設備では、フロンの使用量が多いことから、その使用量の削減またはノンフロン化への要望が非常に大きい。そこで、ノンフロン化を推進する上で有利な回路構成である二次ループ式冷凍回路が注目されている。二次ループ式冷凍回路は、冷媒を強制循環させる機械圧縮式の一次側の回路とサーモサイフォンを用いて冷媒を自然対流させる二次側の回路との独立した２つの回路をカスケード熱交換器を介して接続したものであって、各回路に循環させる冷媒としてフロン以外の熱媒体を用いることができる。しかしながら、従来の二次ループ式冷凍回路は、冷媒としてフロンを使用した機械圧縮式の冷凍回路と比較して、装置全体が大型化して大きな設置面積を要すると共にコストの上昇を伴う欠点を有しており、従来のフロンを用いた設備に対して大きさおよび価格的な競争力がなく、ノンフロン化の促進への妨げになっている。そこで、発明者は、所望の冷却効率を損なうことなく、コンパクトで安価な構成の本発明に係る冷却装置を発明した。例えば、本発明に係る冷却装置を二次ループ式冷凍回路に適用することで、従来のフロンを用いた設備と同等の大きさおよびコストで二次ループ式冷凍回路を備えた設備を設計することが可能となり、前記欠点が解消されて市場での競争力を獲得することができる。すなわち、本発明に係る冷却装置は、地球温暖化防止の観点から重要視されている二次ループ式冷凍回路によるノンフロン化技術の普及を推進する上で、有効な技術的な位置付けを有している。このように、本発明に係る冷却装置は、二次ループ式冷凍回路に適用することで、従来の二次ループ式冷凍回路の大型である欠点や高価である欠点を解消し、一般に普及し得る技術とすることができる非常に有意義な発明である。
【００２３】
次に、本発明に係る冷却装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下に説明する。実施例では、店舗等の業務用途に用いられ、野菜や肉等の物品を多量に収納し得る大型の冷蔵庫を例に挙げ、この冷蔵庫の冷却設備として、本発明に係る冷却装置を二次側の回路に用いた所謂二次ループ冷凍回路を採用した場合について説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１に示すように、冷蔵庫１０は、収納室１４を内部画成した断熱構造の箱体(断熱箱体)１２と、この箱体１２の上方に設けられ、金属パネル１８により外壁を構成したキャビネット１６とを備えている。箱体１２には、前側に開放して物品の出し入れ口となる開口部１２ａが収納室１４に連通して開設され、この開口部１２ａは、図示しないヒンジにより箱体１２の前部に開閉可能に支持された断熱扉２２で塞がれる。
【００２５】
前記キャビネット１６の内部には、収納室１４を冷却するための冷却設備３２の一部および該冷却設備３２を制御する制御用電装箱(図示せず)が配設される機械室２０が画成される。機械室２０の底部には、箱体１２の天板１２ｂに載置されて、該機械室２０に配設する機器の共通基板となる台板２４が設置されている。そして、キャビネット１６の外壁をなす金属パネル１８には、機械室２０に連通する空気流通孔(図示せず)が適宜部位に開設され、この空気流通孔を介して機械室２０内の雰囲気と外気とが入替わるようになっている。
【００２６】
前記収納室１４の上部には、箱体１２における天板１２ｂの下面から所定間隔離間して冷却ダクト２６が配設され、この冷却ダクト２６と、箱体１２の天板１２ｂに開設した切欠口１２ｃを介して収納室１４側に臨む台板２４との間に冷却室２８が画成される。この冷却室２８は、冷却ダクト２６の底部前側に形成した吸込口２６ａおよび後側に形成した冷気吹出口２６ｂを介して収納室１４に連通している。吸込口２６ａには送風ファン３０が配設され、該送風ファン３０を駆動することで、吸込口２６ａから収納室１４の空気を冷却室２８に取込み、冷気吹出口２６ｂから冷却室２８の冷気が収納室１４に送出される。天板１２ｂの切欠口１２ｃは、台板２４で気密的に塞がれて、収納室１４(冷却室２８)と機械室２０とは、台板２４で区切られて互いに独立した空間となっている(図１参照)。
【００２７】
図２は、二次側の回路として実施例１に係る二次冷却装置(冷却装置)４０を備える冷却設備３２を示す概略回路図である。図２に示す如く、冷却設備３２は、冷媒を強制循環する機械圧縮式の一次冷却装置(一次側の回路)３４と、冷媒が自然対流するサーモサイフォンからなる二次冷却装置４０とを、カスケード熱交換器ＨＥを介して熱交換するように熱的に接続(カスケード接続)した二次ループ冷凍回路が採用される。カスケード熱交換器ＨＥは、機械室２０に設置され、一次冷却装置３４を構成する一次熱交換部３６と、この一次熱交換部３６と別系統に形成されて、二次冷却装置４０を構成する二次熱交換部(熱交換部)４２とを備えている。すなわち、一次冷却装置３４および二次冷却装置４０には、独立した冷媒が循環する回路が夫々形成され、二次冷却装置４０を循環する二次冷媒(冷媒)としては、粘性が低くかつ熱伝達率が高い特性を有し、更に毒性、可燃性および腐食性を有していない安全性の高い二酸化炭素が採用される。これに対し、一次冷却装置３４を循環する一次冷媒としては、蒸発熱や飽和圧等の冷媒としての特性に優れているブタンやプロパン等のＨＣ系の冷媒またはアンモニアなどが採用され、実施例１ではイソブタンやプロパンが用いられている。すなわち、冷却設備３２は、冷媒としてフロンを使用する必要はない。なお、カスケード熱交換器ＨＥとしては、例えばプレート式、二重管式およびその発展型またはそれに類するものが採用される。
【００２８】
前記一次冷却装置３４は、気相一次冷媒を圧縮する圧縮機ＣＭと、圧縮した一次冷媒を液化する凝縮器ＣＤと、液相一次冷媒の圧力を低下させる膨張弁ＥＶと、液相一次冷媒を気化するカスケード熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６とを冷媒配管３８で接続して構成される(図２参照)。圧縮機ＣＭおよび凝縮器ＣＤは、機械室２０において台板２４上に共通的に配設され、凝縮器ＣＤを強制冷却する凝縮器ファンＦＭも、該凝縮器ＣＤに対向して台板２４上に配設されている。一次冷却装置３４では、圧縮機ＣＭによる一次冷媒の圧縮により、圧縮機ＣＭ、凝縮器ＣＤ、膨張弁ＥＶ、カスケード熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６および圧縮機ＣＭの順に、一次冷媒が強制循環され、各機器の作用下に一次熱交換部３６において所要の冷却を行なうようになっている(図２参照)。
【００２９】
前記二次冷却装置４０は、気相二次冷媒(気化冷媒)を液化するカスケード熱交換器ＨＥの二次熱交換部４２と、液相二次冷媒(液化冷媒)を気化する配管の集合で構成される蒸発器ＥＰとを備え、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとが１対１の関係で対応している(図２参照)。また二次冷却装置４０は、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとを接続する液配管４４およびガス配管４６を備え、液配管４４を介して二次熱交換部４２から蒸発器ＥＰへ重力の作用下に液相二次冷媒を供給し、ガス配管４６を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４２へ気相二次冷媒を還流させる自然循環回路４８が設けられる。そして、実施例１の二次冷却装置４０には、互いに独立した複数(図示の例では３回路であるが２以上であればよい)の自然循環回路４８が並列に構築される。なお、二次熱交換部４２は、機械室２０に配設される一方、蒸発器ＥＰは、当該機械室２０の下方に位置する冷却室２８(箱体１２の内部)に配設され、台板２４を挟んで二次熱交換部４２より下方に蒸発器ＥＰが配置される。
【００３０】
前記二次熱交換部４２には、凝縮経路５０が、並列して複数(実施例１では３本)設けられている。また蒸発器ＥＰには、蒸発経路５２が、並列して複数(実施例１では３本)設けられている。図２では、凝縮経路５０をガス配管４６に接続する流入端５０ａから液配管４４に接続する流出端５０ｂまで直線的な経路で表わすと共に、蒸発経路５２を液配管４４に接続する流入端５２ａからガス配管４６に接続する流出端５２ｂまで直線的な経路で表わしているが、凝縮経路５０は蛇行させても、直線状に形成してもよい。但し、後述するように蒸発経路５２は蛇行するように折曲形成されている。ここで、二次冷却装置４０では、複数の凝縮経路５０、複数の蒸発経路５２、複数の液配管４４および複数のガス配管４６が同数となる。各自然循環回路４８において、液配管４４は、上端(始端)を二次熱交換部４２における凝縮経路５０の流出端５０ｂに接続して台板２４を貫通して配管され、冷却室２８側に位置する下端(終端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発経路５２の流入端５２ａに接続される。各自然循環回路４８において、ガス配管４６は、冷却室２８側に位置する下端(始端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発経路５２の流出端５２ｂに接続して台板２４を貫通して配管され、機械室２０側に位置する上端(終端)が二次熱交換部４２における凝縮経路５０の流入端５０ａに接続される。なお、符号５４は、各自然循環回路４８に冷媒を充填するために設けられた冷媒チャージポートである。
【００３１】
前記二次冷却装置４０では、各自然循環回路４８において、強制冷却される一次熱交換部３６との熱交換により冷却される二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとの間に温度勾配が形成され、二次冷媒が二次熱交換部４２、液配管４４、蒸発器ＥＰおよびガス配管４６を自然対流して二次熱交換部４２に再び戻る冷媒の循環サイクルが形成される。
【００３２】
前記蒸発経路５２は、図３に示すように、二次冷媒が流通する蒸発管５６の外周にフィン(伝熱促進部材)５８を螺旋状に巻き付けたスパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５で構成され、前記蒸発管５６を直線部分５６ａと折曲げ部分５６ｂとからなる蛇行状に折り曲げ加工することで形成される(図４参照)。また、隣り合う直線部分５６ａ,５６ａの間隔は、各直線部分５６ａ,５６ａに配設されているフィン５８,５８同士が相互に接触しない寸法に設定されて、フィン５８,５８同士が離間するよう構成される。蒸発管５６は、１つの平面(以後、設置平面と称す)上に全ての直線部分５６ａと折曲げ部分５６ｂとが位置するように折り曲げ形成されると共に、該設置平面は水平面に対して所定角度で傾斜するよう設定される(図５参照)。そして、傾斜下端側に位置する直線部分５６ａに液配管４４が接続されると共に、傾斜上端側に位置する直線部分５６ａにガス配管４６が接続されており、蒸発経路５２(蒸発管５６)における流入端５２ａは、流出端５２ｂより下方に位置するようになっている。また、各直線部分５６ａは、図４に示す如く、前記送風ファン３０を駆動した際に生ずる蒸発器ＥＰ(蒸発管５６群)を流通する空気の流れに対し、交差する横方向に延在すると共に、前記設置平面の傾斜上端側が空気の流れ方向上流側に位置し、傾斜下端側が空気の流れ方向下流側に位置するよう設定される(図５参照)。すなわち、蒸発管５６を構成する複数の直線部分５６ａは、蒸発器ＥＰを流通する空気の流れ方向下流側から上流側に順に移行するよう配置されている。従って、蒸発管５６に液配管４４から流入した液冷媒(冷媒)は、図４に示す如く、空気の流れ方向最下流側の直線部分５６ａから順次上流側の直線部分５６ａへ折曲げ部分５６ｂを介して流入することを繰返し、最終的に空気の流れ方向最上流側の直線部分５６ａからガス配管４６へ流出するようになっている。
【００３３】
前記各蒸発管５６は、図５に示す如く、該蒸発管５６の配置平面を上下に離間して平行な関係で層状に配置してある。また、上下に位置する蒸発管５６,５６のフィン５８,５８は、相互に離間するよう設定されている。実施例１では、各蒸発経路５２における冷媒の流入端５２ａおよび流出端５２ｂが、上下方向に整列する位置関係で配置される。
【００３４】
〔実施例１の作用〕
次に、実施例１に係る二次冷却装置４０を備えた冷却設備３２の作用について説明する。冷却設備３２では、冷却運転を開始すると、一次冷却装置３４および二次冷却装置４０の夫々で冷媒の循環が開始される。先ず、一次冷却装置３４について説明すると、圧縮機ＣＭおよび凝縮器ファンＦＭが駆動され、圧縮機ＣＭで気相一次冷媒が圧縮されて、この一次冷媒を冷媒配管３８を介して凝縮器ＣＤに供給して、凝縮器ファンＦＭによる強制冷却により凝縮液化することで液相とする。液相一次冷媒は、膨張弁ＥＶで減圧され、カスケード熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６において二次熱交換部４２を流通する二次冷媒から熱を奪って(吸熱)一挙に膨張気化する。このように一次冷却装置３４は、カスケード熱交換器ＨＥにおいて、一次熱交換部３６により二次熱交換部４２を強制冷却するように機能している。そして、一次熱交換部３６で蒸発した気相一次冷媒は、冷媒配管３８を経て圧縮機ＣＭに帰還する強制循環サイクルを繰返す。
【００３５】
前記二次冷却装置４０では、二次熱交換部４２が一次熱交換部３６により冷却されているから、各自然循環回路４８において二次熱交換部４２の各凝縮経路５０を流通する過程で気相二次冷媒が放熱して凝縮し、気相から液相に状態変化することで比重が増加するので、重力の作用下に二次熱交換部４２の各凝縮経路５０に沿って液相二次冷媒が流下する。二次冷却装置４０では、二次熱交換部４２を機械室２０に配置する一方、蒸発器ＥＰを機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設することで、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとの間に落差を設けてある。すなわち、各自然循環回路４８において、液相二次冷媒を、二次熱交換部４２の下部に接続した液配管４４を介して、複数の蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰへ向けて重力の作用下に自然流下させることができる。液相二次冷媒は、蒸発器ＥＰの各蒸発経路５２を流通する過程で、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰの周囲雰囲気から熱を奪って蒸発して気相に移行する。気相二次冷媒は、ガス配管４６を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４２へ還流し、二次冷却装置４０ではポンプやモータ等の動力を用いることなく、各自然循環回路４８において、簡単な構成で二次冷媒が自然循環するサイクルが繰返される。
【００３６】
前記送風ファン３０により吸込口２６ａから冷却室２８に吸引された収納室１４の空気を、冷却された蒸発器ＥＰに吹付けることで、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰと熱交換した空気が冷気となる。そして冷気を、冷却室２８から冷気吹出口２６ｂを介して収納室１４に送出することで、収納室１４が冷却される。冷気は、収納室１４の内部を循環して、吸込口２６ａを介して再び冷却室２８内に戻るサイクルを反復する。この場合において、各自然循環回路４８における蒸発経路５２では、液配管４４に接続する直線部分５６ａが空気の流れ方向最下流側に位置すると共に、ガス配管４６に接続する直線部分５６ａが空気の流れ方向最上流側に位置するよう構成されているから、流出端５２ｂ側において温度の高い空気と冷媒とが熱交換して気化することで二次冷媒の循環が促進され、蒸発器ＥＰでの熱交換が効率的に行なわれる。しかも、二次冷媒として伝熱性能に優れた二酸化炭素を用いることで、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰでのより効率的な熱交換が達成される。すなわち、蒸発器ＥＰを流通する空気の流れ方向下流側から上流側に冷媒が流動するよう構成すると共に、二次冷媒として伝熱性能に優れた二酸化炭素を用いることで、蒸発器ＥＰでの熱交換効率を向上することができる。従って、熱交換器５５の蒸発管５６として熱交換面積の小さな小径のものを採用しても蒸発器ＥＰでの熱交換効率が低下するのを抑制することができ、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰ自体のコンパクト化を図り得る。また、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５の採用により配管密度が低下しても、二次冷媒として用いられる二酸化炭素の優れた伝熱性能が、配管密度の低下による伝熱性能の低下を補い、蒸発器ＥＰとして適切に機能しうる。更に、蒸発経路５２における冷媒の流出端５２ｂは、流入端５２ａより高い位置に臨んでいるから、気化した二次冷媒の循環を速やかに行なうことができる。
【００３７】
前記二次冷却装置４０では、夫々の自然循環回路４８が、経路や配管の分岐を伴わず互いに独立して１つの回路を構成するように、凝縮経路５０と蒸発経路５２とが液配管４４およびガス配管４６で接続されている。このように、各自然循環回路４８は、互いに独立しているから、凝縮経路５０,５０同士および蒸発経路５２,５２同士または凝縮経路５０と蒸発経路５２との間で二次冷媒が偏在することを抑制でき、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２を流通する二次冷媒の量を一致させることができる。
【００３８】
また、二次冷却装置４０に作用する外気温の変動等の外因によって、各自然循環回路４８を循環する二次冷媒が凝縮経路５０や蒸発経路５２の何れかに偏在する場合もある。しかるに、各自然循環回路４８は、互いに独立したサーモサイフォンが構成されているので、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２における二次冷媒の量が一致するように、二次冷媒のバランスが自然に調節される。従って、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２において、二次冷媒の偏在自体が起きにくく、例え二次冷媒の偏在が生じても当該凝縮経路５０および蒸発経路５２を流通する二次冷媒の量を一致させるよう調節力が作用するので、二次冷媒のバランスを調節するために弁等の調節手段を設ける必要がなく、二次冷却装置４０の構成を簡易にできる。しかも、自然循環回路４８において、二次冷媒が円滑に自然対流するから、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰにおける冷却効率を向上することができる。そして、二次熱交換部４２および蒸発器ＥＰにおいて要求される熱交換面積に応じた数の自然循環回路４８を二次冷却装置４０に設けることで、必要とされる凝縮経路５０および蒸発経路５２を二次熱交換部４２および蒸発器ＥＰに配置することができ、装置全体として必要とされる熱交換面積が担保される。
【００３９】
前記二次冷却装置４０では、二次熱交換部４２および蒸発器ＥＰの夫々に凝縮経路５０および蒸発経路５２を複数配置することができる。すなわち、１本当たりの凝縮経路５０および蒸発経路５２に要求される熱交換面積が小さくなり、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２の配管長を短くすることが可能となる。これにより、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２において、必要とされる配管長を稼ぐために蛇行させる回数を少なくでき、流通抵抗となる屈曲部分を減らせるから、当該凝縮経路５０および蒸発経路５２を流通する二次冷媒の圧力損失を小さくすることができる。また各自然循環回路４８は、液配管４４、ガス配管４６、凝縮経路５０および蒸発経路５２を分岐させることなく、１つの冷媒の経路で構成しているから、配管等の分岐部に起因する圧力損失が発生しない。更に、各自然循環回路４８では、凝縮経路５０と蒸発経路５２との間で自然対流に必要とされる二次冷媒のヘッド差を小さくできるので、凝縮経路５０と蒸発経路５２との間で要求される落差が小さくなり、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとの上下の配置間隔を狭くすることが可能となり、二次冷却装置４０をコンパクトにできる。また、各自然循環回路４８において、二次冷媒の圧力損失が小さいので、液配管４４およびガス配管４６として従来と比較して細い管径を選定しても、同一量の二次冷媒を回路内に循環させることができ、回路全体として充填する二次冷媒の量を削減することが可能となる。
【００４０】
このように、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２の長さや断面積を減じることが可能であるので、二次熱交換部４２や蒸発器ＥＰをコンパクトにできると共に、循環する冷媒量を低減することで、自然循環回路４８の圧力上昇を緩和する膨張タンク(図示せず)の容量等の付帯設備も小さくなるので、二次冷却装置４０全体としてコンパクトにすることができ、コストダウンも可能となる。また液配管４４、ガス配管４６および蒸発管５６等の配管を細径化することで、これらの配管４４,４６,５６において耐圧性能を確保するために必要な肉厚を減ずることが可能となる。すなわち、各配管４４,４６,５６が細径化したことだけでなく、各配管４４,４６,５６の肉厚が減少することとの相乗によって、配管重量を一層削減することができ、コストを更に低減し得る。そして、前記収納室１４内の冷却室２８に配設される前記蒸発器ＥＰをコンパクト化することで、該蒸発器ＥＰを配設するために要する設置スペースを削減(冷却室２８の小型化)し得る一方、収納室１４における物品を収納し得る内容積を大きくすることができ、冷蔵庫の商品価値を向上し得る。
【００４１】
ここで、液配管４４、ガス配管４６および蒸発管５６等の配管の細径化によるコストの低減について具体的に説明する。
例えば、耐圧性能Ｐを有する配管の肉厚ｔは、以下の式で求められる。なお、σは材料の許容応力であり、Ｄは配管の外径である。
ｔ＝ＰＤ／２(σ＋Ｐ)…(イ)
長さＬの配管重量Ｍは、以下の式で求められる。なお、Ｃは材料の比重であり、Ｄiは配管の内径である。
Ｍ＝πＬＣ(Ｄ2−Ｄi2)／４…(ロ)
また、Ｄi＝Ｄ−２ｔと表わすことができるので、これを(ロ)式に代入すると、以下の式が導き出される。
Ｍ＝πＬＣ(Ｄｔ−ｔ2)…(ハ)
そして(ハ)式に(イ)式を代入すると、以下の式が導き出される。
Ｍ＝(１−Ｐ／２(σ＋Ｐ))×πＬＣＰＤ2／２(σ＋Ｐ)…(ニ)
前記(ニ)式は、耐圧性能Ｐを有する配管の重量を示している。(ニ)式において、Ｄ以外の条件は不変とすると、π、Ｌ、Ｃ、Ｐ、σの条件は定数として扱うことができる。よって、耐圧性能Ｐを有する配管重量(配管の外径Ｄ)は、以下の式で表わすことができる。
Ｍ＝｛(１−Ｐ／２(σ＋Ｐ))×πＬＣＰ／２(σ＋Ｐ)｝×Ｄ2…(ホ)
(ホ)式における｛ ｝内は前述の如く定数であるから、Ｍ＝ＡＤ2と表わすことができる。
そして、耐圧性能Ｐを有する外径Ｄ1の配管の配管重量ＭＤ1は、ＡＤ12であり、耐圧性能Ｐを有する外径Ｄ2の配管の配管重量ＭＤ2は、ＡＤ22である。
更に、配管重量ＭＤ1と配管重量ＭＤ2との比は、以下のように表わされる。
ＭＤ2／ＭＤ1＝Ｄ22／Ｄ12…(ヘ)
【００４２】
前記(ヘ)式に具体的な数字を当てはめて説明する。一般的な冷却装置では、蒸発管の外径は９．５２ｍｍに設定されることが多い。これに対して、実施例１の冷却装置であれば、条件によっても変わるが外径６．３５ｍｍの蒸発管を用いることができる。これらの条件を前記(へ)式に当てはめると、以下のようになる。
ＭＤφ6.35／ＭＤφ9.52＝(６．３５)2／(９．５２)2＝０．４４
また、実施例１の冷却装置において、外径４．７６ｍｍの蒸発管を用いた場合は、以下のようになる。
ＭＤφ4.76／ＭＤφ9.52＝(４．７６)2／(９．５２)2＝０．２５
すなわち、配管の重量比は、配管の材料価格の比であるともいえるから、実施例１の二次冷却装置４０によれば、従来の冷却装置と比較して配管が細径化することにより大幅なコスト削減を達成し得ることは明らかである。
【００４３】
前述したように自然循環回路４８を複数とすることで、冷媒が流通する配管径を細くすることができるから、前記蒸発経路５２として蒸発管５６の外周囲にフィン５８を螺旋状に巻き付けたスパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５を採用しても、蒸発器ＥＰが大型化するのは抑制できる。すなわち、蒸発管５６の最小曲げ半径を小さくすることで、寸法をコンパクトにし得ると共に、フィンアンドチューブ型の熱交換器と同等の配管密度とすることができる。そして、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器においては、製造過程で配管同士の溶接や配管の拡管加工を行なう必要がなく、製造工程が大きく簡素化されて製造コストを低廉に抑えることができる。また、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５は、フィンアンドチューブ型の熱交換器のように直線状の配管に対してＵベンド部が溶接されないシームレス構造となっているから、流通する冷媒の漏出に対する信頼性が向上する。すなわち、各自然循環回路４８における配管径を小さくすることが可能となることで、蒸発管５６の最小曲げ半径を小さくしたコンパクトな構成で、フィンアンドチューブ型の熱交換器と同程度まで蒸発管５６の配管密度を上げた、スパイラルフィンチューブ型のように隣り合う直線部分のフィン５８が相互に接触しない構成の熱交換器５５を採用することができる。
【００４４】
前述した如く、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５は、フィンアンドチューブ型の熱交換器に比して着霜による目詰りが発生し難い構成であるから、図示しない除霜用ヒータ等の除霜手段による除霜運転を行なう頻度を少なくすることができる。これにより、頻繁な除霜運転に起因する収納室１４内の温度上昇を抑制し得る。しかも、複数の自然循環回路４８の蒸発経路５２を構成するスパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５は、図５に示す如く、上下に離間して平行な層状に配置してあるから、蒸発器ＥＰを薄型化して冷却室２８に占める割合を小さくし、省スペース化を図り得る。また、上下に層状に配置される熱交換器５５,５５のフィン５８,５８も相互に離間しているから、熱交換器５５,５５の間での着霜による目詰りも発生し難い。
【００４５】
前記冷却設備３２は、一次冷却装置３４と二次冷却装置４０とをカスケード熱交換器ＨＥで接続し、このカスケード熱交換器ＨＥにおいて、一次冷却装置３４の一次冷媒と二次冷却装置４０の二次冷媒とが蒸発および凝縮作用下に熱交換を行なう。すなわち、顕熱のみによる熱交換と比べて、非常に高い熱伝達率を持つので、一次冷却装置３４と二次冷却装置４０との間の伝熱面積を小さくすることができる。また、一次冷媒および二次冷媒は共に、潜熱により熱の輸送を行なうため、比較的少量で、多くの熱量を伝達することができるから、カスケード熱交換器ＨＥにおける熱交換量を低下させることなく、一次冷却装置３４および二次冷却装置４０の熱容積を小さくすることが可能となる。従って、一次冷却装置３４の一次冷媒量および二次冷却装置４０の二次冷媒量を何れも低減でき、コストダウンや、一次冷却装置３４および二次冷却装置４０の小型化による冷却設備３２の省スペース化を図り得る。
【００４６】
前記一次冷却装置３４に必要とされる一次冷媒量が少ないから、法冷等で規定された冷媒の使用上限量以下とすることができ、一次冷媒として使用する冷媒の種類についての選択肢の幅が広がる。また機械室２０は、凝縮器ＣＤおよび圧縮機ＣＭを空冷する都合上、空気を入替えられる開放された空間とされる。このような機械室２０に一次冷却装置３４を配設してあるから、一次冷媒が万が一漏出したとしても、機械室２０に留まるおそれはない。更に、機械室２０は、台板２４により閉鎖空間である収納室１４と気密的に区切られているから、漏出した一次冷媒が収納室１４に流入することはなく、収納室１４に収納した物品に由来するアンモニアや硫化水素等の腐食性ガスが、機械室２０に流入することもない。しかも、冷却設備３２を一次冷却装置３４と二次冷却装置４０との二次ループ式冷凍回路で構成することで、安全性に優れている二酸化炭素を二次冷媒として選択することが可能となる。すなわち、二次冷却装置４０では、蒸発器ＥＰが収納室１４(冷却室２８)に臨むが、例えば二次冷媒が収納室１４に漏出したとしても、使用者に対する安全を担保し得る。
【００４７】
前記一次冷却装置３４および二次冷却装置４０は、カスケード熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６と二次熱交換部４２とで熱的に接続されているが、冷媒の循環経路として互いに独立している。冷却設備３２を停止(圧縮機ＣＭ：停止)した際に、一次冷却装置３４には凝縮器ＣＤから高温の液相一次冷媒が一次熱交換部３６に流入する。これによりカスケード熱交換器ＨＥは昇温されるものの、二次冷却装置４０は独立しているから、蒸発器ＥＰは昇温されることはなく、冷却設備３２を停止した際の収納室１４の温度上昇が緩やかになる。すなわち、冷却設備３２により収納室１４を所要の設定温度まで冷却することで、冷却設備３２を停止した後、冷却設備３２を再度駆動するまでの時間を長くすることができる。よって、冷却設備３２の稼働率が低下するので、消費電力量の削減に繋がる。
【００４８】
このように、実施例１の二次冷却装置４０を二次ループ式冷凍回路からなる冷却設備３２に適用することで、従来のフロンを用いた冷却設備と同等の大きさおよびコストで当該冷却設備３２を設計することが可能となり、冷媒としてフロンを使用した機械圧縮式の冷凍回路と比較して、装置全体が大型化して大きな設置面積を要すると共にコストの上昇を伴う欠点が解消されて市場での競争力を獲得することができる。すなわち、実施例１に係る二次冷却装置４０は、地球温暖化防止の観点から重要視されている二次ループ式冷凍回路によるノンフロン化技術の普及を推進する上で、有効な技術的な位置付けを有している。
【実施例２】
【００４９】
図６は、二次側の回路として実施例２に係る二次冷却装置(冷却装置)６０を備える冷却設備３２を示す概略回路図である。なお、実施例２の冷却設備３２は、実施例１で説明した冷蔵庫１０に設置される。
【００５０】
図６に示す如く、実施例２に係る冷却設備３２は、冷媒を強制循環する機械圧縮式の一次冷却装置(一次側の回路)３４と、冷媒が自然対流するサーモサイフォンからなる二次冷却装置(冷却装置)６０とを、カスケード熱交換器ＨＥを介して熱交換するように熱的に接続(カスケード接続)した二次ループ冷凍回路が採用される。なお、一次冷却装置３４の構成は、実施例１と同一であるので詳細説明は省略し、同一部材には同じ符号を付すものとする。また二次冷却装置６０については、実施例１と同一部材には同じ符号を付すものとする。
【００５１】
前記二次冷却装置６０は、気相二次冷媒(気化冷媒)を液化するカスケード熱交換器ＨＥの二次熱交換部４２と、液相二次冷媒(液化冷媒)を気化する蒸発器ＥＰとを備え、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとが１対１の関係で対応している(図６参照)。また二次冷却装置６０は、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとを接続する液配管４４およびガス配管４６を備え、液配管４４を介して二次熱交換部４２から蒸発器ＥＰへ重力の作用下に液相二次冷媒を供給し、ガス配管４６を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４２へ気相二次冷媒を還流させる自然循環回路６２が設けられる。二次熱交換部４２は、機械室２０に配設される一方、蒸発器ＥＰは、当該機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設され、台板２４を挟んで二次熱交換部４２より下方に蒸発器ＥＰが配置される。なお、符号５４は、自然循環回路６２に冷媒を充填するために設けられた冷媒チャージポートであって、実施例２の二次冷却装置６０では、自然循環回路６２が単一であるから、冷媒チャージポート５４および安全弁や膨張タンク(何れも図示せず)等の付帯設備が１組で足りる。
【００５２】
前記二次熱交換部４２には、凝縮経路５０(特に区別する場合は、符号５０にα,β,γ…を追加する。)が、並列して複数(実施例２では３本)設けられている。また蒸発器ＥＰには、蒸発経路５２が、並列して複数(実施例２では３本であって、特に区別する場合は、符号５２にα,β,γ…を追加する。)設けられている。図６では、凝縮経路５０をガス配管４６に接続する流入端５０ａから液配管４４に接続する流出端５０ｂまで直線的な経路で表わすと共に、蒸発経路５２を液配管４４に接続する流入端５２ａからガス配管４６に接続する流出端５２ｂまで直線的な経路で表わしているが、凝縮経路４７を蛇行させても、直線状に形成してもよい。
【００５３】
ここで、二次冷却装置６０では、複数の凝縮経路５０、複数の蒸発経路５２、複数の液配管４４(特に区別する場合は、符号４４にα,β,γ…を追加する。)および複数のガス配管４６(特に区別する場合は、符号４６にα,β,γ…を追加する。)が同数に設定されている。液配管４４は、上端(始端)を二次熱交換部４２における凝縮経路５０の流出端５０ｂに接続して台板２４を貫通して配管され、冷却室２８側に位置する下端(終端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発経路５２の流入端５２ａに接続される。そして、ガス配管４６は、冷却室２８側に位置する下端(始端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発経路５２の流出端５２ｂに接続して台板２４を貫通して配管され、機械室２０側に位置する上端(終端)が二次熱交換部４２における凝縮経路５０の流入端５０ａに接続される。
【００５４】
前記二次冷却装置６０では、凝縮経路５０の流出端５０ｂに接続する液配管４４を、当該凝縮経路５０の流入端５０ａに連結したガス配管４６が接続している蒸発経路５２と別の蒸発経路５２に接続するよう構成される。また二次冷却装置６０では、蒸発経路５２の流出端５２ｂに接続するガス配管４６を、当該蒸発経路５２の流入端５２ａに連結した液配管４４が接続している凝縮経路５０と別の凝縮経路５０に接続して、複数の凝縮経路５０、複数の蒸発経路５２、複数の液配管４４および複数のガス配管４６によって、全体として１つの自然循環回路６２が構成される。そして、二次冷却装置６０には、強制冷却される一次熱交換部３６との熱交換により冷却される二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとの間に温度勾配が形成され、二次冷媒が二次熱交換部４２、液配管４４、蒸発器ＥＰおよびガス配管４６を自然対流して二次熱交換部４２に再び戻る冷媒の循環サイクルが形成される。
【００５５】
前記二次冷却装置６０に構成される自然循環回路６２について、図６を参照してより具体的に説明する。実施例２の二次冷却装置６０では、二次熱交換部４２に冷媒経路として３本の凝縮経路５０α,５０β,５０γが設けられ、蒸発器ＥＰに冷媒経路として３本の蒸発経路５２α,５２β,５２γが設けられている。第１凝縮経路５０αの流出端５０ｂには、第１液配管４４αの始端が接続され、該第１液配管４４αの終端が第１蒸発経路５２αの流入端５２ａに接続され、第１凝縮経路５０αから第１液配管４４αを介して第１蒸発経路５２αに二次液化冷媒が供給される。第１蒸発経路５２αの流出端５２ｂには、第１ガス配管４６αの始端が接続され、該第１ガス配管４６αの終端が第２凝縮経路５０βの流入端５０ａに接続され、第１蒸発経路５２αから第１ガス配管４６αを介して第２凝縮経路５０βに二次気化冷媒が戻される。第２凝縮経路５０βの流出端５０ｂには、第２液配管４４βの始端が接続され、該第２液配管４４βの終端が第２蒸発経路５２βの流入端５２ａに接続され、第２凝縮経路５０βから第２液配管４４βを介して第２蒸発経路５２βに二次液化冷媒が供給される。第２蒸発経路５２βの流出端５２ｂには、第２ガス配管４６βの始端が接続され、該第２ガス配管４６βの終端が第３凝縮経路５０γの流入端５０ａに接続され、第２蒸発経路５２βから第２ガス配管４６βを介して第３凝縮経路５０γに二次気化冷媒が戻される。第３凝縮経路５０γの流出端５０ｂには、第３液配管４４γの始端が接続され、該第３液配管４４γの終端が第３蒸発経路５２γの流入端５２ａに接続され、第３凝縮経路５０γから第３液配管４４γを介して第３蒸発経路５２γに二次液化冷媒が供給される。第３蒸発経路５２γの流出端５２ｂには、第３ガス配管４６γの始端が接続され、該第３ガス配管４６γの終端が第１凝縮経路５０αの流入端５０ａに接続され、第３蒸発経路５２γから第３ガス配管４６γを介して第１凝縮経路５０αに二次気化冷媒が戻され、二次冷媒が自然循環回路６２内を一巡する。
【００５６】
実施例２の二次冷却装置６０における各蒸発経路５２は、実施例１と同じく、図３〜図５に示すスパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５で構成される。
【００５７】
〔実施例２の作用〕
次に、実施例２に係る二次冷却装置６０を備えた冷却設備３２の作用について説明する。冷却設備３２では、冷却運転を開始すると、一次冷却装置３４および二次冷却装置６０の夫々で冷媒の循環が開始される。なお、一次冷却装置３４の作用は、段落［００３２］で説明しているので省略する。
【００５８】
前記二次冷却装置６０では、二次熱交換部４２が一次熱交換部３６により冷却されているから、二次熱交換部４２の各凝縮経路５０を流通する過程で気相二次冷媒が放熱して凝縮し、気相から液相に状態変化することで比重が増加するので、重力の作用下に二次熱交換部４２の各凝縮経路５０に沿って液相二次冷媒が流下する。二次冷却装置６０では、二次熱交換部４２を機械室２０に配置する一方、蒸発器ＥＰを機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設することで、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとの間に落差を設けてある。すなわち、液相二次冷媒を、二次熱交換部４２の下部に接続した液配管４４を介して、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰへ向けて重力の作用下に自然流下させることができる。液相二次冷媒は、蒸発器ＥＰの各蒸発経路５２を流通する過程で、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰの周囲雰囲気から熱を奪って蒸発して気相に移行する。気相二次冷媒は、ガス配管４６を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４２へ還流し、二次冷却装置６０ではポンプやモータ等の動力を用いることなく、簡単な構成で二次冷媒が自然循環するサイクルが繰返される。
【００５９】
前記二次冷却装置６０に構成した自然循環回路６２では、複数の凝縮経路５０とこの凝縮経路５０と同数の蒸発経路５２とを互い違いに接続することで、１本の凝縮経路５０と１本の蒸発経路５２とに交互に二次冷媒を流通させる１つのサーモサイフォンを形成してある。すなわち、自然循環回路６２によれば、液配管４４、ガス配管４６、凝縮経路５０および蒸発経路５２を分岐させることなく、１つの回路の中に複数の凝縮経路５０および複数の蒸発経路５２を設けることができる。このように、自然循環回路６２が全体として１つの冷媒の経路で構成されているから、凝縮経路５０,５０同士および蒸発経路５２,５２同士または凝縮経路５０と蒸発経路５２との間で二次冷媒が偏在することを抑制でき、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２を流通する二次冷媒の量を一致させることができる。
【００６０】
また、二次冷却装置６０に作用する外気温の変動等の外因によって、自然循環回路６２を循環する二次冷媒が凝縮経路５０や蒸発経路５２の何れかに偏在する場合もある。しかるに、自然循環回路６２は、１つのサーモサイフォンから構成されているので、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２における二次冷媒の量が一致するように、二次冷媒のバランスが自然に調節される。従って、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２において、二次冷媒の偏在自体が起きにくく、例え二次冷媒の偏在が生じても当該凝縮経路５０および蒸発経路５２を流通する二次冷媒の量を一致させるよう調節力が作用するので、二次冷媒のバランスを調節するために弁等の調節手段を設ける必要がなく、二次冷却装置６０の構成を簡易にできる。しかも、自然循環回路６２において、二次冷媒が円滑に自然対流するから、蒸発器ＥＰにおける冷却効率を向上することができる。従って、二次熱交換部４２および蒸発器ＥＰに凝縮経路５０および蒸発経路５２を複数設けることができ、凝縮経路５０および蒸発経路５２を屈曲や分岐することなく、熱交換面積を稼ぐことができる。
【００６１】
前記二次冷却装置６０では、カスケード熱交換器ＨＥおよび蒸発器ＥＰの夫々に凝縮経路５０および蒸発経路５２を複数配置することができる。すなわち、１本当たりの凝縮経路５０および蒸発経路５２に要求される熱交換面積が小さくなり、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２の配管長を短くすることが可能となる。これにより、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２において、必要とされる配管長を稼ぐために蛇行させる回数を少なくでき、流通抵抗となる屈曲部分を減らせるから、当該凝縮経路５０および蒸発経路５２を流通する二次冷媒の圧力損失を小さくすることができる。また、二次冷却装置６０は、液配管４４、ガス配管４６、凝縮経路５０および蒸発経路５２を分岐させることなく、自然循環回路６２を全体として１つの冷媒の経路で構成しているから、配管等の分岐部に起因する圧力損失が発生しない。自然循環回路６２では、凝縮経路５０と蒸発経路５２との間で自然対流に必要とされる二次冷媒のヘッド差を小さくできるので、凝縮経路５０と蒸発経路５２との間で要求される落差が小さくなり、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとの上下の配置間隔を狭くすることが可能となり、二次冷却装置６０をコンパクトにできる。また、自然循環回路６２において、二次冷媒の圧力損失が小さいので、液配管４４およびガス配管４６として従来と比較して細い管径を選定しても、同一量の二次冷媒を回路内に循環させることができ、回路全体として充填する二次冷媒の量を削減することが可能となる。
【００６２】
このように、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２の長さや断面積を減じることが可能であるので、二次熱交換部４２や蒸発器ＥＰをコンパクトにできると共に、循環する冷媒量を低減することで、自然循環回路６２の圧力上昇を緩和する膨張タンク(図示せず)の容量等の付帯設備も小さくなるので、二次冷却装置６０全体としてコンパクトにすることができ、コストダウンも可能となる。また液配管４４、ガス配管４６および蒸発管５６等の配管を細径化することで、これらの配管４４,４６,５６において耐圧性能を確保するために必要な肉厚を減ずることが可能となる。すなわち、各配管４４,４６,５６が細径化したことだけでなく、各配管４４,４６,５６の肉厚が減少することとの相乗によって、配管重量を一層削減することができ、コストを更に低減し得る。更に、実施例２の冷却設備３２であっても、段落［００３６］,［００４１］〜［００４８］で説明した作用効果を奏する。
【００６３】
実施例２の二次冷却装置６０は、単一の自然循環回路６２で構成されているので、冷媒チャージポート５４や圧力の過剰な上昇を防ぐ安全弁や膨張タンク(何れも図示せず)等の付帯設備を１つ設けるだけでよい。すなわち、実施例１の二次冷却装置４０の如く、独立した複数の自然循環回路４８を備える構成と比較して、二次冷媒の偏流の防止や配管径の細径化等のメリットを維持しつつ、付帯設備がコンパクトになり、コストを低減し得る。また、実施例２の二次冷却装置６０は、製造工程やメンテナンスにおける冷媒の充填作業を、単一の自然循環回路６２に対し行なうだけなので、作業性およびメンテナンス性を向上し得る。
【００６４】
(変更例)
本願は前述した各実施例の構成に限定されるものではなく、その他の構成を適宜に採用することができる。
１．実施例では、複数の蒸発経路における冷媒の流入端および流出端を、上下方向に整列する位置関係で配置した場合で説明したが、図７に示すように、各蒸発経路５２における冷媒の流入端５２ａおよび流出端５２ｂが、空気の流れ方向に偏倚するよう配置してもよい。
２．実施例では、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器の蒸発管を、同一平面(設置平面)上で蛇行状に配置した場合で説明したが、直線部分や折曲げ部分が同一平面上に配置されない構成であってもよい。例えば、図１９に示す如く、各蒸発管５６を、階段状の平面上で蛇行状に配置することで、該蒸発管５６を、全体として蒸発管群を流通する空気の流れ方向で階段状に形成する。より具体的には、蒸発管５６は、蒸発管群を流通する空気の流れ方向の上流側に設定された平面上で蛇行状に折り曲げて形成された上段部５６Ａと、下流側で上段部５６Ａより一段下がった位置に設定された平面上で蛇行状に折り曲げて形成された下段部５６Ｂと、上段部５６Ａにおける空気の流れ方向の下流端部と下段部５６Ｂにおける空気の流れ方向の上流端部とを接続する段差部５６Ｃとからなり、上段部５６Ａの前記下流端部より下段部５６Ｂの前記上流端部が上流側に延出して、全体としてＺ字状に形成される。そして、これら階段状に形成された複数の蒸発管５６が、各段を上下に離間するように層状に配置される。すなわち、上側に位置する蒸発管５６における上段部５６Ａと、下側に位置する蒸発管５６における上段部５６Ａとが上下に離間して層状に配置され、上側に位置する蒸発管５６における下段部５６Ｂと、下側に位置する蒸発管５６における下段部５６Ｂとが上下に離間して層状に配置される。
このように各蒸発管５６を、直線部分５６ａ,５６ａが上下に重なるように配置した段差部５６Ｃによって階段状(Ｚ字状)に形成することで、各蒸発管５６における熱交換長を、蒸発管群を流通する空気の流れ方向に同じ長さの１つの平面上で蛇行状に折り曲げた場合より長くすることができる。すなわち、同一能力の蒸発器ＥＰを、少ない本数の蒸発管５６で構成することができ、部品点数および組立て工数を減らして製造コストを低減し得る。また、各蒸発管５６は、蒸発経路５２における流入端５２ａ側から流出端５２ｂ側に上りとなる階段状に形成され、かつ上段部５６Ａおよび下段部５６Ｂを構成する直線部分５６ａが冷媒の流入端５２ａ側から流出端５２ｂ側に向けて順に上方に偏倚する(上段部５６Ａおよび下段部５６Ｂが形成される平面が流入端５２ａ側から流出端５２ｂ側に向けて上方傾斜する傾斜面となっている)よう形成されており、該蒸発管５６で蒸発する冷媒の循環が速やかに行なわれる。
図１９に示す変更例では、下側に位置する蒸発管５６における上段部５６Ａの下側に、蒸発管５６が存在しない空間が形成されるが、この空間の部分は、図１に示すように冷却室２８に蒸発器ＥＰを配置した場合に、前記送風ファン３０により冷却室２８に吸引された空気の流通量が少ない部分である。すなわち、蒸発管５６を階段状に形成したことで空間が生じたとしても、冷却室２８を流れる空気による熱交換が大きく低下するものではない。なお、蒸発管５６の段数は２段に限らず３段以上であってもよく、また上段部５６Ａと下段部５６Ｂとを接続する段差部５６Ｃは鉛直等、直線部分５６ａ,５６ａの少なくとも一部が上下に重なる関係となっていればよい。
３．実施例では、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器の蒸発管を、同一平面(設置平面)上で蛇行状に配置した場合で説明したが、直線部分や折曲げ部分が同一平面上に配置されない構成であってもよい。例えば、蒸発管を階段状(例えばクランク状)の平面上で蛇行状に配置して熱交換器を構成し、各熱交換器における各段が上下に離間して層状に配置されるものであってもよい。なお、同一平面上に配置しない構成であっても、直線部分が冷媒の流入端側から流出端側に向けて順に上方に偏倚するように配置するのが好ましい。
４．実施例では、熱交換器として蒸発管の外周囲にフィンを螺旋状に巻き付けたスパイラルフィンチューブ型のものを採用した場合で説明したが、この構成に限定されるものではなく、例えば図８〜図１６に示す構成を採用し得る。
図８は、蒸発管５６の外周囲に螺旋状に巻き付けた突起状の伝熱促進部材７４の軸方向(蒸発管５６の長手方向)の厚みを大きくし、かつ伝熱促進部材７４の螺旋ピッチを狭く設定したものである。
また図９は、図８の変更例に比べて伝熱促進部材７４の軸方向の厚みを小さくし、かつ伝熱促進部材７４の螺旋ピッチを広く設定したものである。
図１０は、蒸発管５６の外周囲に多数のスパインフィン(伝熱促進部材)７６を螺旋状に突設したもの(所謂、スパインフィンチューブ)である。
図１１は、蒸発管５６の外周囲に、多数の突起状の伝熱促進部材７８を螺旋を描くように突設したものである。なお、図１１の変更例に係る伝熱促進部材７８における螺旋ピッチや、軸方向の厚み等は任意に設定が可能である。
図１２は、蒸発管５６の長手方向に離間して複数の板状の伝熱促進部材８０を並列に配設したものである。図１２の変更例に示す伝熱促進部材８０の形状としては、図１２(ａ)の円形、図１２(ｂ)の四角形、図１２(ｃ)の八角形、図１２(ｄ)の上下左右に突部を有して全体として十字形となる多角形であってもよく、その他各種形状を採用し得る。
図１３は、蒸発管５６の長手方向に離間して、複数(２本以上で全ての蒸発管より少ない数)の蒸発管５６に共通に接触するように板状の伝熱促進部材８２を並列に配設したものである。図１３の変更例に示す伝熱促進部材８２の形状としては、図１３(ａ)の四角形、図１３(ｂ)の小判形、図１３(ｃ)の矩形状に板体の左右端部に突部を有する多角形であってもよく、その他各種形状を採用し得る。
図１４は、蒸発管５６の長手方向に離間して複数の環状の伝熱促進部材８４を並列に配設したものであって、軸方向の厚みを大きくすると共に軸方向の離間間隔を広く設定したものである。図１４の変更例に示す伝熱促進部材８４の形状としては、図１４(ａ)の円形、図１４(ｂ)の四角形、図１４(ｃ)の八角形であってもよく、その他各種形状を採用し得る。
図１５は、蒸発管５６の外周囲に複数の突起８６ａを円形状に突設した伝熱促進部材８６を、長手方向に離間して複数並列に配設したものである。なお、図１５に示す変更例の伝熱促進部材８６の軸方向の離間寸法や軸方向の厚み等は任意に設定が可能である。また各突起８６ａの形状についても、複数の突起８６ａから構成される伝熱促進部材８６が、全体として図１４(ｂ),(ｃ)等に示す変更例の伝熱促進部材８４の外形形状と同一となるようなものであってもよい。
図１６は、図１４の変更例に比べて伝熱促進部材８８の軸方向の厚みを大きくし、かつ伝熱促進部材８８の螺旋ピッチを狭く設定したものである。なお、図１６に示す変更例の伝熱促進部材８８の形状については、図１４の変更例と同様に各種形状のものを採用可能である。また、各伝熱促進部材８８が、図１５の変更例のように複数の突起から構成されるものであってもよい。
５．実施例では、熱交換器としてスパイラルフィンチューブ型のものを採用したが、蒸発器を流通する空気の流れに対する蒸発管の配置および二次冷媒として伝熱性能に優れた二酸化炭素を用いることで、蒸発器での効率的な熱交換が達成されることから、蒸発管(管体)に各種の伝熱促進部材を配設していない、蒸発管(管体)のみからなる熱交換器を採用することができる。そして、このように蒸発管(管体)のみからなる熱交換器を採用することで、複数の熱交換器の離間間隔を小さくすることができ、蒸発器をよりコンパクトにすることが可能となる。
なお、伝熱促進部材を配設しない蒸発管としては、例えば図１７および図１８の構成を採用することができる。
図１７は、蒸発管５６の断面形状を多角形状として表面積を大きくするようにしたものであって、図１７(ａ)の八角形や、図１７(ｂ)の十字形等、その他各種の断面形状を採用することができる。
図１８は、蒸発管５６の表面に伝熱を促進する溝を形成したものであって、図１８(ａ)および(ｂ)に示すように周上で連続する溝９０を軸方向に離間して形成したものや、図１８(ｃ)〜(ｅ)に示すように、相互に連続しない多数の溝９２を周方向および軸方向に離間して形成したものを採用することができる。なお、図１８に示す変更例の溝の形状は、図示したものに限らず、任意の形状を採用し得る。
６．冷却設備の一次冷却装置として、吸収式やその他の冷凍回路も採用することができる。また、本発明に係る冷却装置は、熱交換部をファンによる送風等によって冷却する空冷式であってもよい。
７．カスケード熱交換器は、一次熱交換部と二次熱交換部とを別体で構成したり、他の方式の熱交換器であってもよい。
８．実施例では、一次冷却装置において液化冷媒を減圧する手段として膨張弁を用いたが、これに限られず、キャピラリーチューブまたはその他の減圧手段を採用し得る。
９．実施例では、二次ループ式冷凍回路を備える冷却設備の二次側に本発明に係る冷却装置を用いる例を挙げている。前述の如く、二次ループ式冷凍回路を備えた冷却設備の欠点を解消し得ることから、本発明に係る冷却装置を二次ループ式冷凍回路に適用することは非常に有用である。しかし、本発明に係る冷却装置は、二次ループ式冷凍回路に適用することに限定されず、単体で冷却装置として用いることも可能である。
１０．本発明の冷却装置は、冷凍庫、冷凍・冷蔵庫、ショーケースおよびプレハブ庫等の所謂貯蔵庫、その他空調設備等にも適用し得る。
【符号の説明】
【００６５】
３４ 一次冷却装置(一次側の回路)，４２ 二次熱交換部(熱交換部)，４４ 液配管
４６ ガス配管，４８ 自然循環回路，５０ 凝縮経路，５２ 蒸発経路
５２ａ 流入端，５２ｂ 流出端，５５ 熱交換器，５６ 蒸発管，５６ａ 直線部分
５６Ｃ 段差部，５８ フィン(伝熱促進部材)，６２ 自然循環回路
７４,７８,８０,８２,８４,８６,８８ 伝熱促進部材
７６ スパインフィン(伝熱促進部材)，ＥＰ 蒸発器
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱交換部と蒸発器との間の温度勾配を利用して、冷媒を自然対流させる自然循環回路を備えた冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷媒を自然対流させるサーモサイフォンを用いた冷却装置が、冷蔵庫等の貯蔵設備や空調設備に採用されている(例えば、特許文献１参照)。サーモサイフォンを用いた冷却装置は、図２０に示すように、気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする凝縮器６４と、この凝縮器６４の下方に配置されて、液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする蒸発器６６とを有し、液化冷媒を凝縮器６４から蒸発器６６へ液配管６８を介して流下させると共に、気化冷媒を蒸発器６６から凝縮器６４へガス配管７０を介して流通させる自然循環回路７２が構成される。
【０００３】
前記凝縮器６４および蒸発器６６では、内部に設けた冷媒経路６４ａ,６６ａを流通する冷媒が外気や水等の他の媒体と熱交換することで、冷媒が凝縮または蒸発するようになっている。すなわち、冷却装置の冷却効率は、冷媒と他の媒体との間で交換される熱量に依存するので、冷却装置では、凝縮器６４および蒸発器６６に蛇行状の冷媒経路６４ａ,６６ａを設けることで、冷媒経路６４ａ,６６ａと他の媒体との接触面積(以下、熱交換面積という)を大きくしている。
【０００４】
また、前記蒸発器６６の形態としては、複数の平行な平板状のフィンを貫通する直線配管と、該直線配管の端部に溶接されるＵ字状に折れ曲ったベンド部とから、冷媒経路６６ａを蛇行状に形成した所謂フィンアンドチューブ型の熱交換器が採用されている(例えば、特許文献１参照)。このフィンアンドチューブ型の熱交換器は、配管密度を比較的容易に向上させ得る特徴があることから、空冷式の熱交換器として広く採用されている。また、蒸発器の別形態として、冷媒が流通する蒸発管の外周囲にフィンを螺旋状に巻き付けると共に蛇行状に折り曲げたスパイラルフィンチューブ型の熱交換器も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−９６４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記冷却装置では、所要の冷却効率が得られる熱交換面積を確保するために必要な配管長を設定すると、冷媒経路６４ａ,６６ａが長くなって該経路６４ａ,６６ａにおける冷媒の流通抵抗が大きくなると共に、長くなる冷媒経路６４ａ,６６ａをコンパクトにするのに冷媒経路６４ａ,６６ａの屈曲部分が多くなるので、冷媒の流通抵抗が更に大きくなる。また冷却装置の如くサーモサイフォンを用いた方式では、凝縮器６４と蒸発器６６との間の温度勾配を利用して冷媒を自然対流する構成であるから、冷媒をポンプ等で強制循環させる方式と比べて冷媒の循環力が弱く、僅かな圧力損失や冷媒に対する流れ抵抗によって、冷媒の円滑な流動が大きく妨げられる。そして、冷媒経路６４ａ,６６ａにおいて、冷媒の流動が円滑に行なわれなくなると、蒸発器６６を含む自然循環回路７２内での冷媒の循環が悪くなったり、冷媒が逆流したりして冷熱の運搬能力が低下し、対象を効率よく冷却できない問題が生じる。そこで、前記冷却装置では、冷却効率を低下させないために、冷媒の循環量に応じて冷媒経路６４ａ,６６ａの断面積を大きく設定して冷媒の流通抵抗を減少させることで、僅かな圧力損失に大きな影響を受ける冷媒の流動状態を安定させる必要がある。しかし、冷媒経路６４ａ,６６ａを構成する配管が大径化することで、冷媒経路を形成する上での制約が大きくなると共に、凝縮器６４や蒸発器６６の大型化を招き、コストの上昇に繋がってしまう。
【０００７】
ここで、前記フィンアンドチューブ型の熱交換器は、配管の密度を上げることができる反面、直線配管とベンド部とを溶接するため、冷媒の流通経路内に複数の溶接部が存在し、冷媒漏れに対する信頼性が低い難点がある。しかも、フィンアンドチューブ型の熱交換器では、熱交換効率を向上するべく平板状の各フィンの間隔を狭くすると、平板状の各フィンが隣り合う全ての直線配管に接続されているため、隣り合う直線配管の間のフィンにも霜が成長し易く、配管間の隙間が霜で塞がれて空気の流れを阻害する問題を招き易い構造であった。
【０００８】
これに対し、前記スパイラルフィンチューブ型の熱交換器は、フィンアンドチューブ型の熱交換器とは異なり、その製造過程で配管同士の溶接や配管の拡管加工を行なう必要がなく、製造工程が大きく簡素化されると共に、冷媒の流通経路内に配管の溶接部が存在しないから冷媒漏れに対する信頼性も高い利点がある。またスパイラルフィンチューブ型の熱交換器は、蒸発管にフィンを螺旋状に巻き付ける構造であるため、熱交換効率を向上するべくフィンの螺旋ピッチを狭くしても、隣り合う直線配管のフィンが相互に接触していないため、該フィンに霜が成長したとしても配管間の隙間は塞がれ難く、着霜による目詰りが発生し難い構造である
【０００９】
しかしながら、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器は、フィンを巻きつけた後に蒸発管を曲げ加工するため、前述したように冷媒の流通抵抗を減少させるために蒸発管を大径化すると、最小曲げ半径が大きくなり、配管密度が疎な状態となるので、蒸発器のコンパクト化が困難であった。このため、フィンアンドチューブ型の熱交換器と同程度まで蒸発管の配管密度を上げることは難しく、サーモサイフォンを用いた冷却装置の蒸発器としては、フィンアンドチューブ型の熱交換器に対してコスト、冷媒漏れに対する信頼性、および霜による目詰り抑制等の点で優れているスパイラルフィンチューブ型の熱交換器を採用していないのが現状である。
【００１０】
前述したような冷却装置による冷却効率を向上するための構成や、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器は、熱交換器を大型化することで採用が可能となる。しかしながら、冷却装置が用いられる冷蔵庫では、その商品上の価値として庫内容積を大きくすることが挙げられ、これを確保するためには庫内熱交換器(蒸発器)をコンパクトに設計することが肝要であり、安易に熱交換器を大型化することは難しい。むしろ、潜在的には庫内熱交換器(蒸発器)を更にコンパクトに設計することが求められている。すなわち、限られた空間で効率よく熱交換を行なうための冷却装置が希求されているのが実状である。
【００１１】
すなわち本発明は、従来の技術に係る冷却装置に内在する前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、サーモサイフォンを用いて冷媒が自然対流する自然循環回路において、所望の冷却効率を維持したまま、冷媒の流通抵抗、該回路内の冷媒充填量および各経路の断面積の増加を招くことなく、安価でコンパクトな冷却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】
【００１２】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明の冷却装置は、
凝縮経路を流通する気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする熱交換部と、この熱交換部の下方に配置され、内部の蒸発経路を流通する液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする管状の蒸発管とを有し、液化冷媒を熱交換部の凝縮経路から前記蒸発経路へ液配管を介して流下させると共に、気化冷媒を前記蒸発経路から熱交換部の凝縮経路へガス配管を介して流通させる自然循環回路を設けた冷却装置において、
互いに独立した複数の自然循環回路と、複数の自然循環回路の蒸発管の集合で構成される蒸発器とを備えると共に、各自然循環回路を循環する冷媒として二酸化炭素を用い、
前記各蒸発管は、蒸発管群を流通する空気の流れ方向と交差する横方向に直線部分が延在するよう蛇行状に折り曲げて形成され、
前記蒸発管における前記空気の流れ方向下流側の部位に前記液配管が接続されると共に、前記蒸発管における前記空気の流れ方向上流側の部位に前記ガス配管が接続され、
前記複数の蒸発管は、相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置されることを特徴とする。
【００１３】
請求項１に係る発明によれば、夫々の自然循環回路が、経路や配管の分岐を伴わず互いに独立して１つの回路を構成するように、凝縮経路と蒸発経路とが液配管およびガス配管で接続されている。そして、熱交換部および蒸発器において要求される熱交換面積に応じた数の自然循環回路を冷却装置に設けることで、必要とされる凝縮経路および蒸発経路を熱交換部および蒸発器に配置することができ、回路全体として必要とされる熱交換面積が担保される。これにより、凝縮経路および蒸発経路の１本当たりに必要とされる熱交換面積が小さくなり、各凝縮経路および各蒸発経路の必要長さを抑えることができる。各凝縮経路および各蒸発経路の長さが短くなることから、経路の長さに由来する流通抵抗が小さくなると共に、蛇行させる回数を減らして経路の屈曲部分に由来する流通抵抗を減らすことも可能となる。この結果、従来では流通抵抗が大きくなり過ぎて不可能であった従来と比して小さい断面積で各凝縮経路および各蒸発経路を設定でき、各凝縮経路および各蒸発経路に流通させる冷媒量を減少させることができる。このように、各凝縮経路および各蒸発経路の長さや断面積を減じることが可能であるので、熱交換部や蒸発器をコンパクトにできると共に、循環する冷媒量を低減することで、回路の圧力上昇を緩和する膨張タンクの容量等の付帯設備も小さくなるので、全体としてコンパクトにすることができ、コストダウンも可能となる。しかも、各自然循環回路は互いに独立しているので、冷媒の偏流が生じ難く、冷媒を円滑に自然対流させることができる。
また、蒸発管群を流通する空気の流れ方向下流側から上流側に冷媒が流動するよう構成すると共に、冷媒として伝熱性能に優れた二酸化炭素を用いることで、蒸発器での熱交換効率を低下させることなく熱交換面積の小さな小径の蒸発管を採用することができ、蒸発器のコストを低減し得ると共によりコンパクト化を図り得る。更に、複数の蒸発管を相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置する構成により、これら複数の蒸発管が熱交換効率の高い蒸発器として機能する。
【００１４】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項２に係る発明の冷却装置は、
凝縮経路を流通する気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする熱交換部と、この熱交換部の下方に配置され、内部の蒸発経路を流通する液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする管状の蒸発管とを有し、液化冷媒を熱交換部の凝縮経路から前記蒸発経路へ液配管を介して流下させると共に、気化冷媒を前記蒸発経路から熱交換部の凝縮経路へガス配管を介して流通させる自然循環回路を設けた冷却装置において、
前記自然循環回路は、複数の蒸発管の集合で構成される蒸発器と、該複数の蒸発管と同数の凝縮経路とを備えると共に、該自然循環回路を循環する冷媒として二酸化炭素を用い、
前記凝縮経路の流出端に接続する液配管を、当該凝縮経路の流入端に連結したガス配管が接続している蒸発管と別の蒸発管に接続すると共に、蒸発管の流出端に接続するガス配管を、当該蒸発管の流入端に連結した液配管が接続している凝縮経路と別の凝縮経路に接続して、全体として１つの自然循環回路を構成し、
前記各蒸発管は、蒸発管群を流通する空気の流れ方向と交差する横方向に直線部分が延在するよう蛇行状に折り曲げて形成され、
前記蒸発管における前記空気の流れ方向下流側の部位に前記液配管が接続されると共に、前記蒸発管における前記空気の流れ方向上流側の部位に前記ガス配管が接続され、
前記複数の蒸発管は、相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置されることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に係る発明によれば、経路や配管の分岐を伴わず全体として１つの自然循環回路を構成するように、凝縮経路と蒸発経路とが液配管およびガス配管で接続されている。すなわち、熱交換部および蒸発器において要求される熱交換面積に応じた数の凝縮経路および蒸発経路を適宜に配置することができる。これにより、凝縮経路および蒸発経路の１本当たりに必要とされる熱交換面積が小さくなり、各凝縮経路および各蒸発経路の必要長さを抑えることができる。各凝縮経路および各蒸発経路の長さが短くなることから、経路の長さに由来する流通抵抗が小さくなると共に、蛇行させる回数を減らして経路の屈曲部分に由来する流通抵抗を減らすことも可能となる。この結果、従来では流通抵抗が大きくなり過ぎて不可能であった従来と比して小さい断面積で各凝縮経路および各蒸発経路を設定でき、各凝縮経路および各蒸発経路に流通させる冷媒量を減少させることができる。このように、各凝縮経路および各蒸発経路の長さや断面積を減じることが可能であるので、熱交換部や蒸発器をコンパクトにできると共に、循環する冷媒量を低減することで、回路の圧力上昇を緩和する膨張タンクの容量等の付帯設備も小さくなるので、全体としてコンパクトにすることができ、コストダウンも可能となる。しかも、複数の凝縮経路および複数の蒸発経路を設けても、経路や配管の分岐を伴わずに全体として１つの自然循環回路となっているので、複数の凝縮経路および複数の蒸発経路に対して冷媒がバランスよく流通して、冷媒の偏流が生じず、冷媒を円滑に自然対流させることができる。
また、蒸発器を構成する蒸発管群を流通する空気の流れ方向下流側から上流側に冷媒が流動するよう構成すると共に、冷媒として伝熱性能に優れた二酸化炭素を用いることで、蒸発器での熱交換効率を低下させることなく熱交換面積の小さな小径の蒸発管を採用することができ、蒸発器のコストを低減し得ると共によりコンパクト化を図り得る。更に、複数の蒸発管を相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置する構成により、これら複数の蒸発管が熱交換効率の高い蒸発器として機能する。
【００１６】
請求項３の発明では、前記蒸発経路の液配管が接続する流入端は、ガス配管が接続する流出端より下方に位置していることを要旨とする。
請求項３に係る発明によれば、蒸発経路の流入端を流出端より下方に位置させることで、蒸発器で蒸発する冷媒の循環を速やかに行なうことができる。
【００１７】
請求項４に係る発明では、前記各蒸発管は、前記直線部分が少なくとも一部を上下に重なるよう配置された段差部によって蒸発管群を流通する空気の流れ方向において階段状に形成され、該階段状に形成された複数の蒸発管は、各段が上下の関係となるよう層状に配置されることを要旨とする。
請求項４に係る発明によれば、直線部分が少なくとも一部を上下に重なるよう配置された段差部によって蒸発管を階段状に形成することで、各蒸発管における熱交換長を、同一平面上で蛇行するよう形成した場合に比べて長くすることができ、同一能力の蒸発器を少ない本数の蒸発管で構成してコストを低減し得る。
【００１８】
請求項５に係る発明では、前記蒸発管の外周囲に伝熱促進部材が配設されると共に、蛇行状に折り曲げられている該蒸発管における隣り合う直線部分の伝熱促進部材は相互に離間するよう構成され、
前記複数の蒸発管は、前記伝熱促進部材が相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置されることを要旨とする。
請求項５に係る発明によれば、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器を採用することで、蒸発器のコストを低減し得ると共に、冷媒漏れに対する信頼性を向上することができ、更には熱交換効率の向上を図りつつ霜による目詰りの発生を抑制し得る。なお、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器の懸念事項として、配管密度を上げ難い点が挙げられるが、冷媒として用いられる二酸化炭素の優れた伝熱性能が、配管密度の低い状態で形成された配管群の冷媒側の伝熱性能を補償するため、蒸発器として適切に機能しうる。
【００１９】
請求項６に係る発明では、冷媒を強制循環させる機械圧縮式の一次側の回路に対して、前記自然循環回路が前記熱交換部を介して熱的に接続されることを要旨とする。
請求項６に係る発明によれば、所謂二次ループ式冷凍回路を構成した設備における二次側として自然循環回路を用いることで、所望の冷却効率を損なうことなく、設備全体をコンパクトで安価な構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る冷却装置によれば、所望の冷却効率を維持したまま、冷媒の流通抵抗、該回路内の冷媒充填量および各経路の断面積の増加を招くことなく、安価でコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の好適な実施例１に係る冷却装置を冷却設備の二次回路として備えた冷蔵庫を示す側断面図である。
【図２】実施例１の冷却装置を二次回路として備えた冷却設備の要部を示す概略回路図である。
【図３】実施例１に係る蒸発経路を示す要部正面図である。
【図４】実施例１に係る蒸発経路を示す平面図である。
【図５】実施例１に係る蒸発器を示す概略側面図である。
【図６】本発明の好適な実施例２に係る冷却装置を二次回路として備えた冷却設備の要部を示す概略回路図である。
【図７】変更例に係る蒸発器を示す概略側面図である。
【図８】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図９】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１０】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１１】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１２】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１３】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１４】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１５】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１６】伝熱促進部材を設けた変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１７】伝熱促進部材を設けない変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１８】伝熱促進部材を設けない変更例に係る蒸発管を示す概略斜視図である。
【図１９】別の変更例に係る蒸発器を示す概略側面図である。
【図２０】従来の技術に係る冷却装置の自然循環回路を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
昨今では、冷蔵庫や冷凍庫等の冷却装置を備えた設備において、冷媒としてのフロンの使用が地球温暖化防止の観点から制限されている。特に、業務用冷凍機器等の大型な設備では、フロンの使用量が多いことから、その使用量の削減またはノンフロン化への要望が非常に大きい。そこで、ノンフロン化を推進する上で有利な回路構成である二次ループ式冷凍回路が注目されている。二次ループ式冷凍回路は、冷媒を強制循環させる機械圧縮式の一次側の回路とサーモサイフォンを用いて冷媒を自然対流させる二次側の回路との独立した２つの回路をカスケード熱交換器を介して接続したものであって、各回路に循環させる冷媒としてフロン以外の熱媒体を用いることができる。しかしながら、従来の二次ループ式冷凍回路は、冷媒としてフロンを使用した機械圧縮式の冷凍回路と比較して、装置全体が大型化して大きな設置面積を要すると共にコストの上昇を伴う欠点を有しており、従来のフロンを用いた設備に対して大きさおよび価格的な競争力がなく、ノンフロン化の促進への妨げになっている。そこで、発明者は、所望の冷却効率を損なうことなく、コンパクトで安価な構成の本発明に係る冷却装置を発明した。例えば、本発明に係る冷却装置を二次ループ式冷凍回路に適用することで、従来のフロンを用いた設備と同等の大きさおよびコストで二次ループ式冷凍回路を備えた設備を設計することが可能となり、前記欠点が解消されて市場での競争力を獲得することができる。すなわち、本発明に係る冷却装置は、地球温暖化防止の観点から重要視されている二次ループ式冷凍回路によるノンフロン化技術の普及を推進する上で、有効な技術的な位置付けを有している。このように、本発明に係る冷却装置は、二次ループ式冷凍回路に適用することで、従来の二次ループ式冷凍回路の大型である欠点や高価である欠点を解消し、一般に普及し得る技術とすることができる非常に有意義な発明である。
【００２３】
次に、本発明に係る冷却装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下に説明する。実施例では、店舗等の業務用途に用いられ、野菜や肉等の物品を多量に収納し得る大型の冷蔵庫を例に挙げ、この冷蔵庫の冷却設備として、本発明に係る冷却装置を二次側の回路に用いた所謂二次ループ冷凍回路を採用した場合について説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１に示すように、冷蔵庫１０は、収納室１４を内部画成した断熱構造の箱体(断熱箱体)１２と、この箱体１２の上方に設けられ、金属パネル１８により外壁を構成したキャビネット１６とを備えている。箱体１２には、前側に開放して物品の出し入れ口となる開口部１２ａが収納室１４に連通して開設され、この開口部１２ａは、図示しないヒンジにより箱体１２の前部に開閉可能に支持された断熱扉２２で塞がれる。
【００２５】
前記キャビネット１６の内部には、収納室１４を冷却するための冷却設備３２の一部および該冷却設備３２を制御する制御用電装箱(図示せず)が配設される機械室２０が画成される。機械室２０の底部には、箱体１２の天板１２ｂに載置されて、該機械室２０に配設する機器の共通基板となる台板２４が設置されている。そして、キャビネット１６の外壁をなす金属パネル１８には、機械室２０に連通する空気流通孔(図示せず)が適宜部位に開設され、この空気流通孔を介して機械室２０内の雰囲気と外気とが入替わるようになっている。
【００２６】
前記収納室１４の上部には、箱体１２における天板１２ｂの下面から所定間隔離間して冷却ダクト２６が配設され、この冷却ダクト２６と、箱体１２の天板１２ｂに開設した切欠口１２ｃを介して収納室１４側に臨む台板２４との間に冷却室２８が画成される。この冷却室２８は、冷却ダクト２６の底部前側に形成した吸込口２６ａおよび後側に形成した冷気吹出口２６ｂを介して収納室１４に連通している。吸込口２６ａには送風ファン３０が配設され、該送風ファン３０を駆動することで、吸込口２６ａから収納室１４の空気を冷却室２８に取込み、冷気吹出口２６ｂから冷却室２８の冷気が収納室１４に送出される。天板１２ｂの切欠口１２ｃは、台板２４で気密的に塞がれて、収納室１４(冷却室２８)と機械室２０とは、台板２４で区切られて互いに独立した空間となっている(図１参照)。
【００２７】
図２は、二次側の回路として実施例１に係る二次冷却装置(冷却装置)４０を備える冷却設備３２を示す概略回路図である。図２に示す如く、冷却設備３２は、冷媒を強制循環する機械圧縮式の一次冷却装置(一次側の回路)３４と、冷媒が自然対流するサーモサイフォンからなる二次冷却装置４０とを、カスケード熱交換器ＨＥを介して熱交換するように熱的に接続(カスケード接続)した二次ループ冷凍回路が採用される。カスケード熱交換器ＨＥは、機械室２０に設置され、一次冷却装置３４を構成する一次熱交換部３６と、この一次熱交換部３６と別系統に形成されて、二次冷却装置４０を構成する二次熱交換部(熱交換部)４２とを備えている。すなわち、一次冷却装置３４および二次冷却装置４０には、独立した冷媒が循環する回路が夫々形成され、二次冷却装置４０を循環する二次冷媒(冷媒)としては、粘性が低くかつ熱伝達率が高い特性を有し、更に毒性、可燃性および腐食性を有していない安全性の高い二酸化炭素が採用される。これに対し、一次冷却装置３４を循環する一次冷媒としては、蒸発熱や飽和圧等の冷媒としての特性に優れているブタンやプロパン等のＨＣ系の冷媒またはアンモニアなどが採用され、実施例１ではイソブタンやプロパンが用いられている。すなわち、冷却設備３２は、冷媒としてフロンを使用する必要はない。なお、カスケード熱交換器ＨＥとしては、例えばプレート式、二重管式およびその発展型またはそれに類するものが採用される。
【００２８】
前記一次冷却装置３４は、気相一次冷媒を圧縮する圧縮機ＣＭと、圧縮した一次冷媒を液化する凝縮器ＣＤと、液相一次冷媒の圧力を低下させる膨張弁ＥＶと、液相一次冷媒を気化するカスケード熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６とを冷媒配管３８で接続して構成される(図２参照)。圧縮機ＣＭおよび凝縮器ＣＤは、機械室２０において台板２４上に共通的に配設され、凝縮器ＣＤを強制冷却する凝縮器ファンＦＭも、該凝縮器ＣＤに対向して台板２４上に配設されている。一次冷却装置３４では、圧縮機ＣＭによる一次冷媒の圧縮により、圧縮機ＣＭ、凝縮器ＣＤ、膨張弁ＥＶ、カスケード熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６および圧縮機ＣＭの順に、一次冷媒が強制循環され、各機器の作用下に一次熱交換部３６において所要の冷却を行なうようになっている(図２参照)。
【００２９】
前記二次冷却装置４０は、気相二次冷媒(気化冷媒)を液化するカスケード熱交換器ＨＥの二次熱交換部４２と、液相二次冷媒(液化冷媒)を気化する配管の集合で構成される蒸発器ＥＰとを備え、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとが１対１の関係で対応している(図２参照)。また二次冷却装置４０は、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとを接続する液配管４４およびガス配管４６を備え、液配管４４を介して二次熱交換部４２から蒸発器ＥＰへ重力の作用下に液相二次冷媒を供給し、ガス配管４６を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４２へ気相二次冷媒を還流させる自然循環回路４８が設けられる。そして、実施例１の二次冷却装置４０には、互いに独立した複数(図示の例では３回路であるが２以上であればよい)の自然循環回路４８が並列に構築される。なお、二次熱交換部４２は、機械室２０に配設される一方、蒸発器ＥＰは、当該機械室２０の下方に位置する冷却室２８(箱体１２の内部)に配設され、台板２４を挟んで二次熱交換部４２より下方に蒸発器ＥＰが配置される。
【００３０】
前記二次熱交換部４２には、凝縮経路５０が、並列して複数(実施例１では３本)設けられている。また蒸発器ＥＰには、蒸発経路５２が、並列して複数(実施例１では３本)設けられている。図２では、凝縮経路５０をガス配管４６に接続する流入端５０ａから液配管４４に接続する流出端５０ｂまで直線的な経路で表わすと共に、蒸発経路５２を液配管４４に接続する流入端５２ａからガス配管４６に接続する流出端５２ｂまで直線的な経路で表わしているが、凝縮経路５０は蛇行させても、直線状に形成してもよい。但し、後述するように蒸発経路５２は蛇行するように折曲形成されている。ここで、二次冷却装置４０では、複数の凝縮経路５０、複数の蒸発経路５２、複数の液配管４４および複数のガス配管４６が同数となる。各自然循環回路４８において、液配管４４は、上端(始端)を二次熱交換部４２における凝縮経路５０の流出端５０ｂに接続して台板２４を貫通して配管され、冷却室２８側に位置する下端(終端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発経路５２の流入端５２ａに接続される。各自然循環回路４８において、ガス配管４６は、冷却室２８側に位置する下端(始端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発経路５２の流出端５２ｂに接続して台板２４を貫通して配管され、機械室２０側に位置する上端(終端)が二次熱交換部４２における凝縮経路５０の流入端５０ａに接続される。なお、符号５４は、各自然循環回路４８に冷媒を充填するために設けられた冷媒チャージポートである。
【００３１】
前記二次冷却装置４０では、各自然循環回路４８において、強制冷却される一次熱交換部３６との熱交換により冷却される二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとの間に温度勾配が形成され、二次冷媒が二次熱交換部４２、液配管４４、蒸発器ＥＰおよびガス配管４６を自然対流して二次熱交換部４２に再び戻る冷媒の循環サイクルが形成される。
【００３２】
前記蒸発経路５２は、図３に示すように、二次冷媒が流通する蒸発管５６の外周にフィン(伝熱促進部材)５８を螺旋状に巻き付けたスパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５で構成され、前記蒸発管５６を直線部分５６ａと折曲げ部分５６ｂとからなる蛇行状に折り曲げ加工することで形成される(図４参照)。また、隣り合う直線部分５６ａ,５６ａの間隔は、各直線部分５６ａ,５６ａに配設されているフィン５８,５８同士が相互に接触しない寸法に設定されて、フィン５８,５８同士が離間するよう構成される。蒸発管５６は、１つの平面(以後、設置平面と称す)上に全ての直線部分５６ａと折曲げ部分５６ｂとが位置するように折り曲げ形成されると共に、該設置平面は水平面に対して所定角度で傾斜するよう設定される(図５参照)。そして、傾斜下端側に位置する直線部分５６ａに液配管４４が接続されると共に、傾斜上端側に位置する直線部分５６ａにガス配管４６が接続されており、蒸発経路５２(蒸発管５６)における流入端５２ａは、流出端５２ｂより下方に位置するようになっている。また、各直線部分５６ａは、図４に示す如く、前記送風ファン３０を駆動した際に生ずる蒸発器ＥＰ(蒸発管５６群)を流通する空気の流れに対し、交差する横方向に延在すると共に、前記設置平面の傾斜上端側が空気の流れ方向上流側に位置し、傾斜下端側が空気の流れ方向下流側に位置するよう設定される(図５参照)。すなわち、蒸発管５６を構成する複数の直線部分５６ａは、蒸発器ＥＰを流通する空気の流れ方向下流側から上流側に順に移行するよう配置されている。従って、蒸発管５６に液配管４４から流入した液冷媒(冷媒)は、図４に示す如く、空気の流れ方向最下流側の直線部分５６ａから順次上流側の直線部分５６ａへ折曲げ部分５６ｂを介して流入することを繰返し、最終的に空気の流れ方向最上流側の直線部分５６ａからガス配管４６へ流出するようになっている。
【００３３】
前記各蒸発管５６は、図５に示す如く、該蒸発管５６の配置平面を上下に離間して平行な関係で層状に配置してある。また、上下に位置する蒸発管５６,５６のフィン５８,５８は、相互に離間するよう設定されている。実施例１では、各蒸発経路５２における冷媒の流入端５２ａおよび流出端５２ｂが、上下方向に整列する位置関係で配置される。
【００３４】
〔実施例１の作用〕
次に、実施例１に係る二次冷却装置４０を備えた冷却設備３２の作用について説明する。冷却設備３２では、冷却運転を開始すると、一次冷却装置３４および二次冷却装置４０の夫々で冷媒の循環が開始される。先ず、一次冷却装置３４について説明すると、圧縮機ＣＭおよび凝縮器ファンＦＭが駆動され、圧縮機ＣＭで気相一次冷媒が圧縮されて、この一次冷媒を冷媒配管３８を介して凝縮器ＣＤに供給して、凝縮器ファンＦＭによる強制冷却により凝縮液化することで液相とする。液相一次冷媒は、膨張弁ＥＶで減圧され、カスケード熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６において二次熱交換部４２を流通する二次冷媒から熱を奪って(吸熱)一挙に膨張気化する。このように一次冷却装置３４は、カスケード熱交換器ＨＥにおいて、一次熱交換部３６により二次熱交換部４２を強制冷却するように機能している。そして、一次熱交換部３６で蒸発した気相一次冷媒は、冷媒配管３８を経て圧縮機ＣＭに帰還する強制循環サイクルを繰返す。
【００３５】
前記二次冷却装置４０では、二次熱交換部４２が一次熱交換部３６により冷却されているから、各自然循環回路４８において二次熱交換部４２の各凝縮経路５０を流通する過程で気相二次冷媒が放熱して凝縮し、気相から液相に状態変化することで比重が増加するので、重力の作用下に二次熱交換部４２の各凝縮経路５０に沿って液相二次冷媒が流下する。二次冷却装置４０では、二次熱交換部４２を機械室２０に配置する一方、蒸発器ＥＰを機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設することで、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとの間に落差を設けてある。すなわち、各自然循環回路４８において、液相二次冷媒を、二次熱交換部４２の下部に接続した液配管４４を介して、複数の蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰへ向けて重力の作用下に自然流下させることができる。液相二次冷媒は、蒸発器ＥＰの各蒸発経路５２を流通する過程で、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰの周囲雰囲気から熱を奪って蒸発して気相に移行する。気相二次冷媒は、ガス配管４６を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４２へ還流し、二次冷却装置４０ではポンプやモータ等の動力を用いることなく、各自然循環回路４８において、簡単な構成で二次冷媒が自然循環するサイクルが繰返される。
【００３６】
前記送風ファン３０により吸込口２６ａから冷却室２８に吸引された収納室１４の空気を、冷却された蒸発器ＥＰに吹付けることで、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰと熱交換した空気が冷気となる。そして冷気を、冷却室２８から冷気吹出口２６ｂを介して収納室１４に送出することで、収納室１４が冷却される。冷気は、収納室１４の内部を循環して、吸込口２６ａを介して再び冷却室２８内に戻るサイクルを反復する。この場合において、各自然循環回路４８における蒸発経路５２では、液配管４４に接続する直線部分５６ａが空気の流れ方向最下流側に位置すると共に、ガス配管４６に接続する直線部分５６ａが空気の流れ方向最上流側に位置するよう構成されているから、流出端５２ｂ側において温度の高い空気と冷媒とが熱交換して気化することで二次冷媒の循環が促進され、蒸発器ＥＰでの熱交換が効率的に行なわれる。しかも、二次冷媒として伝熱性能に優れた二酸化炭素を用いることで、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰでのより効率的な熱交換が達成される。すなわち、蒸発器ＥＰを流通する空気の流れ方向下流側から上流側に冷媒が流動するよう構成すると共に、二次冷媒として伝熱性能に優れた二酸化炭素を用いることで、蒸発器ＥＰでの熱交換効率を向上することができる。従って、熱交換器５５の蒸発管５６として熱交換面積の小さな小径のものを採用しても蒸発器ＥＰでの熱交換効率が低下するのを抑制することができ、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰ自体のコンパクト化を図り得る。また、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５の採用により配管密度が低下しても、二次冷媒として用いられる二酸化炭素の優れた伝熱性能が、配管密度の低下による伝熱性能の低下を補い、蒸発器ＥＰとして適切に機能しうる。更に、蒸発経路５２における冷媒の流出端５２ｂは、流入端５２ａより高い位置に臨んでいるから、気化した二次冷媒の循環を速やかに行なうことができる。
【００３７】
前記二次冷却装置４０では、夫々の自然循環回路４８が、経路や配管の分岐を伴わず互いに独立して１つの回路を構成するように、凝縮経路５０と蒸発経路５２とが液配管４４およびガス配管４６で接続されている。このように、各自然循環回路４８は、互いに独立しているから、凝縮経路５０,５０同士および蒸発経路５２,５２同士または凝縮経路５０と蒸発経路５２との間で二次冷媒が偏在することを抑制でき、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２を流通する二次冷媒の量を一致させることができる。
【００３８】
また、二次冷却装置４０に作用する外気温の変動等の外因によって、各自然循環回路４８を循環する二次冷媒が凝縮経路５０や蒸発経路５２の何れかに偏在する場合もある。しかるに、各自然循環回路４８は、互いに独立したサーモサイフォンが構成されているので、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２における二次冷媒の量が一致するように、二次冷媒のバランスが自然に調節される。従って、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２において、二次冷媒の偏在自体が起きにくく、例え二次冷媒の偏在が生じても当該凝縮経路５０および蒸発経路５２を流通する二次冷媒の量を一致させるよう調節力が作用するので、二次冷媒のバランスを調節するために弁等の調節手段を設ける必要がなく、二次冷却装置４０の構成を簡易にできる。しかも、自然循環回路４８において、二次冷媒が円滑に自然対流するから、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰにおける冷却効率を向上することができる。そして、二次熱交換部４２および蒸発器ＥＰにおいて要求される熱交換面積に応じた数の自然循環回路４８を二次冷却装置４０に設けることで、必要とされる凝縮経路５０および蒸発経路５２を二次熱交換部４２および蒸発器ＥＰに配置することができ、装置全体として必要とされる熱交換面積が担保される。
【００３９】
前記二次冷却装置４０では、二次熱交換部４２および蒸発器ＥＰの夫々に凝縮経路５０および蒸発経路５２を複数配置することができる。すなわち、１本当たりの凝縮経路５０および蒸発経路５２に要求される熱交換面積が小さくなり、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２の配管長を短くすることが可能となる。これにより、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２において、必要とされる配管長を稼ぐために蛇行させる回数を少なくでき、流通抵抗となる屈曲部分を減らせるから、当該凝縮経路５０および蒸発経路５２を流通する二次冷媒の圧力損失を小さくすることができる。また各自然循環回路４８は、液配管４４、ガス配管４６、凝縮経路５０および蒸発経路５２を分岐させることなく、１つの冷媒の経路で構成しているから、配管等の分岐部に起因する圧力損失が発生しない。更に、各自然循環回路４８では、凝縮経路５０と蒸発経路５２との間で自然対流に必要とされる二次冷媒のヘッド差を小さくできるので、凝縮経路５０と蒸発経路５２との間で要求される落差が小さくなり、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとの上下の配置間隔を狭くすることが可能となり、二次冷却装置４０をコンパクトにできる。また、各自然循環回路４８において、二次冷媒の圧力損失が小さいので、液配管４４およびガス配管４６として従来と比較して細い管径を選定しても、同一量の二次冷媒を回路内に循環させることができ、回路全体として充填する二次冷媒の量を削減することが可能となる。
【００４０】
このように、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２の長さや断面積を減じることが可能であるので、二次熱交換部４２や蒸発器ＥＰをコンパクトにできると共に、循環する冷媒量を低減することで、自然循環回路４８の圧力上昇を緩和する膨張タンク(図示せず)の容量等の付帯設備も小さくなるので、二次冷却装置４０全体としてコンパクトにすることができ、コストダウンも可能となる。また液配管４４、ガス配管４６および蒸発管５６等の配管を細径化することで、これらの配管４４,４６,５６において耐圧性能を確保するために必要な肉厚を減ずることが可能となる。すなわち、各配管４４,４６,５６が細径化したことだけでなく、各配管４４,４６,５６の肉厚が減少することとの相乗によって、配管重量を一層削減することができ、コストを更に低減し得る。そして、前記収納室１４内の冷却室２８に配設される前記蒸発器ＥＰをコンパクト化することで、該蒸発器ＥＰを配設するために要する設置スペースを削減(冷却室２８の小型化)し得る一方、収納室１４における物品を収納し得る内容積を大きくすることができ、冷蔵庫の商品価値を向上し得る。
【００４１】
ここで、液配管４４、ガス配管４６および蒸発管５６等の配管の細径化によるコストの低減について具体的に説明する。
例えば、耐圧性能Ｐを有する配管の肉厚ｔは、以下の式で求められる。なお、σは材料の許容応力であり、Ｄは配管の外径である。
ｔ＝ＰＤ／２(σ＋Ｐ)…(イ)
長さＬの配管重量Ｍは、以下の式で求められる。なお、Ｃは材料の比重であり、Ｄiは配管の内径である。
Ｍ＝πＬＣ(Ｄ2−Ｄi2)／４…(ロ)
また、Ｄi＝Ｄ−２ｔと表わすことができるので、これを(ロ)式に代入すると、以下の式が導き出される。
Ｍ＝πＬＣ(Ｄｔ−ｔ2)…(ハ)
そして(ハ)式に(イ)式を代入すると、以下の式が導き出される。
Ｍ＝(１−Ｐ／２(σ＋Ｐ))×πＬＣＰＤ2／２(σ＋Ｐ)…(ニ)
前記(ニ)式は、耐圧性能Ｐを有する配管の重量を示している。(ニ)式において、Ｄ以外の条件は不変とすると、π、Ｌ、Ｃ、Ｐ、σの条件は定数として扱うことができる。よって、耐圧性能Ｐを有する配管重量(配管の外径Ｄ)は、以下の式で表わすことができる。
Ｍ＝｛(１−Ｐ／２(σ＋Ｐ))×πＬＣＰ／２(σ＋Ｐ)｝×Ｄ2…(ホ)
(ホ)式における｛ ｝内は前述の如く定数であるから、Ｍ＝ＡＤ2と表わすことができる。
そして、耐圧性能Ｐを有する外径Ｄ1の配管の配管重量ＭＤ1は、ＡＤ12であり、耐圧性能Ｐを有する外径Ｄ2の配管の配管重量ＭＤ2は、ＡＤ22である。
更に、配管重量ＭＤ1と配管重量ＭＤ2との比は、以下のように表わされる。
ＭＤ2／ＭＤ1＝Ｄ22／Ｄ12…(ヘ)
【００４２】
前記(ヘ)式に具体的な数字を当てはめて説明する。一般的な冷却装置では、蒸発管の外径は９．５２ｍｍに設定されることが多い。これに対して、実施例１の冷却装置であれば、条件によっても変わるが外径６．３５ｍｍの蒸発管を用いることができる。これらの条件を前記(へ)式に当てはめると、以下のようになる。
ＭＤφ6.35／ＭＤφ9.52＝(６．３５)2／(９．５２)2＝０．４４
また、実施例１の冷却装置において、外径４．７６ｍｍの蒸発管を用いた場合は、以下のようになる。
ＭＤφ4.76／ＭＤφ9.52＝(４．７６)2／(９．５２)2＝０．２５
すなわち、配管の重量比は、配管の材料価格の比であるともいえるから、実施例１の二次冷却装置４０によれば、従来の冷却装置と比較して配管が細径化することにより大幅なコスト削減を達成し得ることは明らかである。
【００４３】
前述したように自然循環回路４８を複数とすることで、冷媒が流通する配管径を細くすることができるから、前記蒸発経路５２として蒸発管５６の外周囲にフィン５８を螺旋状に巻き付けたスパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５を採用しても、蒸発器ＥＰが大型化するのは抑制できる。すなわち、蒸発管５６の最小曲げ半径を小さくすることで、寸法をコンパクトにし得ると共に、フィンアンドチューブ型の熱交換器と同等の配管密度とすることができる。そして、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器においては、製造過程で配管同士の溶接や配管の拡管加工を行なう必要がなく、製造工程が大きく簡素化されて製造コストを低廉に抑えることができる。また、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５は、フィンアンドチューブ型の熱交換器のように直線状の配管に対してＵベンド部が溶接されないシームレス構造となっているから、流通する冷媒の漏出に対する信頼性が向上する。すなわち、各自然循環回路４８における配管径を小さくすることが可能となることで、蒸発管５６の最小曲げ半径を小さくしたコンパクトな構成で、フィンアンドチューブ型の熱交換器と同程度まで蒸発管５６の配管密度を上げた、スパイラルフィンチューブ型のように隣り合う直線部分のフィン５８が相互に接触しない構成の熱交換器５５を採用することができる。
【００４４】
前述した如く、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５は、フィンアンドチューブ型の熱交換器に比して着霜による目詰りが発生し難い構成であるから、図示しない除霜用ヒータ等の除霜手段による除霜運転を行なう頻度を少なくすることができる。これにより、頻繁な除霜運転に起因する収納室１４内の温度上昇を抑制し得る。しかも、複数の自然循環回路４８の蒸発経路５２を構成するスパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５は、図５に示す如く、上下に離間して平行な層状に配置してあるから、蒸発器ＥＰを薄型化して冷却室２８に占める割合を小さくし、省スペース化を図り得る。また、上下に層状に配置される熱交換器５５,５５のフィン５８,５８も相互に離間しているから、熱交換器５５,５５の間での着霜による目詰りも発生し難い。
【００４５】
前記冷却設備３２は、一次冷却装置３４と二次冷却装置４０とをカスケード熱交換器ＨＥで接続し、このカスケード熱交換器ＨＥにおいて、一次冷却装置３４の一次冷媒と二次冷却装置４０の二次冷媒とが蒸発および凝縮作用下に熱交換を行なう。すなわち、顕熱のみによる熱交換と比べて、非常に高い熱伝達率を持つので、一次冷却装置３４と二次冷却装置４０との間の伝熱面積を小さくすることができる。また、一次冷媒および二次冷媒は共に、潜熱により熱の輸送を行なうため、比較的少量で、多くの熱量を伝達することができるから、カスケード熱交換器ＨＥにおける熱交換量を低下させることなく、一次冷却装置３４および二次冷却装置４０の熱容積を小さくすることが可能となる。従って、一次冷却装置３４の一次冷媒量および二次冷却装置４０の二次冷媒量を何れも低減でき、コストダウンや、一次冷却装置３４および二次冷却装置４０の小型化による冷却設備３２の省スペース化を図り得る。
【００４６】
前記一次冷却装置３４に必要とされる一次冷媒量が少ないから、法冷等で規定された冷媒の使用上限量以下とすることができ、一次冷媒として使用する冷媒の種類についての選択肢の幅が広がる。また機械室２０は、凝縮器ＣＤおよび圧縮機ＣＭを空冷する都合上、空気を入替えられる開放された空間とされる。このような機械室２０に一次冷却装置３４を配設してあるから、一次冷媒が万が一漏出したとしても、機械室２０に留まるおそれはない。更に、機械室２０は、台板２４により閉鎖空間である収納室１４と気密的に区切られているから、漏出した一次冷媒が収納室１４に流入することはなく、収納室１４に収納した物品に由来するアンモニアや硫化水素等の腐食性ガスが、機械室２０に流入することもない。しかも、冷却設備３２を一次冷却装置３４と二次冷却装置４０との二次ループ式冷凍回路で構成することで、安全性に優れている二酸化炭素を二次冷媒として選択することが可能となる。すなわち、二次冷却装置４０では、蒸発器ＥＰが収納室１４(冷却室２８)に臨むが、例えば二次冷媒が収納室１４に漏出したとしても、使用者に対する安全を担保し得る。
【００４７】
前記一次冷却装置３４および二次冷却装置４０は、カスケード熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６と二次熱交換部４２とで熱的に接続されているが、冷媒の循環経路として互いに独立している。冷却設備３２を停止(圧縮機ＣＭ：停止)した際に、一次冷却装置３４には凝縮器ＣＤから高温の液相一次冷媒が一次熱交換部３６に流入する。これによりカスケード熱交換器ＨＥは昇温されるものの、二次冷却装置４０は独立しているから、蒸発器ＥＰは昇温されることはなく、冷却設備３２を停止した際の収納室１４の温度上昇が緩やかになる。すなわち、冷却設備３２により収納室１４を所要の設定温度まで冷却することで、冷却設備３２を停止した後、冷却設備３２を再度駆動するまでの時間を長くすることができる。よって、冷却設備３２の稼働率が低下するので、消費電力量の削減に繋がる。
【００４８】
このように、実施例１の二次冷却装置４０を二次ループ式冷凍回路からなる冷却設備３２に適用することで、従来のフロンを用いた冷却設備と同等の大きさおよびコストで当該冷却設備３２を設計することが可能となり、冷媒としてフロンを使用した機械圧縮式の冷凍回路と比較して、装置全体が大型化して大きな設置面積を要すると共にコストの上昇を伴う欠点が解消されて市場での競争力を獲得することができる。すなわち、実施例１に係る二次冷却装置４０は、地球温暖化防止の観点から重要視されている二次ループ式冷凍回路によるノンフロン化技術の普及を推進する上で、有効な技術的な位置付けを有している。
【実施例２】
【００４９】
図６は、二次側の回路として実施例２に係る二次冷却装置(冷却装置)６０を備える冷却設備３２を示す概略回路図である。なお、実施例２の冷却設備３２は、実施例１で説明した冷蔵庫１０に設置される。
【００５０】
図６に示す如く、実施例２に係る冷却設備３２は、冷媒を強制循環する機械圧縮式の一次冷却装置(一次側の回路)３４と、冷媒が自然対流するサーモサイフォンからなる二次冷却装置(冷却装置)６０とを、カスケード熱交換器ＨＥを介して熱交換するように熱的に接続(カスケード接続)した二次ループ冷凍回路が採用される。なお、一次冷却装置３４の構成は、実施例１と同一であるので詳細説明は省略し、同一部材には同じ符号を付すものとする。また二次冷却装置６０については、実施例１と同一部材には同じ符号を付すものとする。
【００５１】
前記二次冷却装置６０は、気相二次冷媒(気化冷媒)を液化するカスケード熱交換器ＨＥの二次熱交換部４２と、液相二次冷媒(液化冷媒)を気化する蒸発器ＥＰとを備え、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとが１対１の関係で対応している(図６参照)。また二次冷却装置６０は、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとを接続する液配管４４およびガス配管４６を備え、液配管４４を介して二次熱交換部４２から蒸発器ＥＰへ重力の作用下に液相二次冷媒を供給し、ガス配管４６を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４２へ気相二次冷媒を還流させる自然循環回路６２が設けられる。二次熱交換部４２は、機械室２０に配設される一方、蒸発器ＥＰは、当該機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設され、台板２４を挟んで二次熱交換部４２より下方に蒸発器ＥＰが配置される。なお、符号５４は、自然循環回路６２に冷媒を充填するために設けられた冷媒チャージポートであって、実施例２の二次冷却装置６０では、自然循環回路６２が単一であるから、冷媒チャージポート５４および安全弁や膨張タンク(何れも図示せず)等の付帯設備が１組で足りる。
【００５２】
前記二次熱交換部４２には、凝縮経路５０(特に区別する場合は、符号５０にα,β,γ…を追加する。)が、並列して複数(実施例２では３本)設けられている。また蒸発器ＥＰには、蒸発経路５２が、並列して複数(実施例２では３本であって、特に区別する場合は、符号５２にα,β,γ…を追加する。)設けられている。図６では、凝縮経路５０をガス配管４６に接続する流入端５０ａから液配管４４に接続する流出端５０ｂまで直線的な経路で表わすと共に、蒸発経路５２を液配管４４に接続する流入端５２ａからガス配管４６に接続する流出端５２ｂまで直線的な経路で表わしているが、凝縮経路４７を蛇行させても、直線状に形成してもよい。
【００５３】
ここで、二次冷却装置６０では、複数の凝縮経路５０、複数の蒸発経路５２、複数の液配管４４(特に区別する場合は、符号４４にα,β,γ…を追加する。)および複数のガス配管４６(特に区別する場合は、符号４６にα,β,γ…を追加する。)が同数に設定されている。液配管４４は、上端(始端)を二次熱交換部４２における凝縮経路５０の流出端５０ｂに接続して台板２４を貫通して配管され、冷却室２８側に位置する下端(終端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発経路５２の流入端５２ａに接続される。そして、ガス配管４６は、冷却室２８側に位置する下端(始端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発経路５２の流出端５２ｂに接続して台板２４を貫通して配管され、機械室２０側に位置する上端(終端)が二次熱交換部４２における凝縮経路５０の流入端５０ａに接続される。
【００５４】
前記二次冷却装置６０では、凝縮経路５０の流出端５０ｂに接続する液配管４４を、当該凝縮経路５０の流入端５０ａに連結したガス配管４６が接続している蒸発経路５２と別の蒸発経路５２に接続するよう構成される。また二次冷却装置６０では、蒸発経路５２の流出端５２ｂに接続するガス配管４６を、当該蒸発経路５２の流入端５２ａに連結した液配管４４が接続している凝縮経路５０と別の凝縮経路５０に接続して、複数の凝縮経路５０、複数の蒸発経路５２、複数の液配管４４および複数のガス配管４６によって、全体として１つの自然循環回路６２が構成される。そして、二次冷却装置６０には、強制冷却される一次熱交換部３６との熱交換により冷却される二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとの間に温度勾配が形成され、二次冷媒が二次熱交換部４２、液配管４４、蒸発器ＥＰおよびガス配管４６を自然対流して二次熱交換部４２に再び戻る冷媒の循環サイクルが形成される。
【００５５】
前記二次冷却装置６０に構成される自然循環回路６２について、図６を参照してより具体的に説明する。実施例２の二次冷却装置６０では、二次熱交換部４２に冷媒経路として３本の凝縮経路５０α,５０β,５０γが設けられ、蒸発器ＥＰに冷媒経路として３本の蒸発経路５２α,５２β,５２γが設けられている。第１凝縮経路５０αの流出端５０ｂには、第１液配管４４αの始端が接続され、該第１液配管４４αの終端が第１蒸発経路５２αの流入端５２ａに接続され、第１凝縮経路５０αから第１液配管４４αを介して第１蒸発経路５２αに二次液化冷媒が供給される。第１蒸発経路５２αの流出端５２ｂには、第１ガス配管４６αの始端が接続され、該第１ガス配管４６αの終端が第２凝縮経路５０βの流入端５０ａに接続され、第１蒸発経路５２αから第１ガス配管４６αを介して第２凝縮経路５０βに二次気化冷媒が戻される。第２凝縮経路５０βの流出端５０ｂには、第２液配管４４βの始端が接続され、該第２液配管４４βの終端が第２蒸発経路５２βの流入端５２ａに接続され、第２凝縮経路５０βから第２液配管４４βを介して第２蒸発経路５２βに二次液化冷媒が供給される。第２蒸発経路５２βの流出端５２ｂには、第２ガス配管４６βの始端が接続され、該第２ガス配管４６βの終端が第３凝縮経路５０γの流入端５０ａに接続され、第２蒸発経路５２βから第２ガス配管４６βを介して第３凝縮経路５０γに二次気化冷媒が戻される。第３凝縮経路５０γの流出端５０ｂには、第３液配管４４γの始端が接続され、該第３液配管４４γの終端が第３蒸発経路５２γの流入端５２ａに接続され、第３凝縮経路５０γから第３液配管４４γを介して第３蒸発経路５２γに二次液化冷媒が供給される。第３蒸発経路５２γの流出端５２ｂには、第３ガス配管４６γの始端が接続され、該第３ガス配管４６γの終端が第１凝縮経路５０αの流入端５０ａに接続され、第３蒸発経路５２γから第３ガス配管４６γを介して第１凝縮経路５０αに二次気化冷媒が戻され、二次冷媒が自然循環回路６２内を一巡する。
【００５６】
実施例２の二次冷却装置６０における各蒸発経路５２は、実施例１と同じく、図３〜図５に示すスパイラルフィンチューブ型の熱交換器５５で構成される。
【００５７】
〔実施例２の作用〕
次に、実施例２に係る二次冷却装置６０を備えた冷却設備３２の作用について説明する。冷却設備３２では、冷却運転を開始すると、一次冷却装置３４および二次冷却装置６０の夫々で冷媒の循環が開始される。なお、一次冷却装置３４の作用は、段落［００３２］で説明しているので省略する。
【００５８】
前記二次冷却装置６０では、二次熱交換部４２が一次熱交換部３６により冷却されているから、二次熱交換部４２の各凝縮経路５０を流通する過程で気相二次冷媒が放熱して凝縮し、気相から液相に状態変化することで比重が増加するので、重力の作用下に二次熱交換部４２の各凝縮経路５０に沿って液相二次冷媒が流下する。二次冷却装置６０では、二次熱交換部４２を機械室２０に配置する一方、蒸発器ＥＰを機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設することで、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとの間に落差を設けてある。すなわち、液相二次冷媒を、二次熱交換部４２の下部に接続した液配管４４を介して、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰへ向けて重力の作用下に自然流下させることができる。液相二次冷媒は、蒸発器ＥＰの各蒸発経路５２を流通する過程で、蒸発管５６の集合で構成される蒸発器ＥＰの周囲雰囲気から熱を奪って蒸発して気相に移行する。気相二次冷媒は、ガス配管４６を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４２へ還流し、二次冷却装置６０ではポンプやモータ等の動力を用いることなく、簡単な構成で二次冷媒が自然循環するサイクルが繰返される。
【００５９】
前記二次冷却装置６０に構成した自然循環回路６２では、複数の凝縮経路５０とこの凝縮経路５０と同数の蒸発経路５２とを互い違いに接続することで、１本の凝縮経路５０と１本の蒸発経路５２とに交互に二次冷媒を流通させる１つのサーモサイフォンを形成してある。すなわち、自然循環回路６２によれば、液配管４４、ガス配管４６、凝縮経路５０および蒸発経路５２を分岐させることなく、１つの回路の中に複数の凝縮経路５０および複数の蒸発経路５２を設けることができる。このように、自然循環回路６２が全体として１つの冷媒の経路で構成されているから、凝縮経路５０,５０同士および蒸発経路５２,５２同士または凝縮経路５０と蒸発経路５２との間で二次冷媒が偏在することを抑制でき、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２を流通する二次冷媒の量を一致させることができる。
【００６０】
また、二次冷却装置６０に作用する外気温の変動等の外因によって、自然循環回路６２を循環する二次冷媒が凝縮経路５０や蒸発経路５２の何れかに偏在する場合もある。しかるに、自然循環回路６２は、１つのサーモサイフォンから構成されているので、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２における二次冷媒の量が一致するように、二次冷媒のバランスが自然に調節される。従って、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２において、二次冷媒の偏在自体が起きにくく、例え二次冷媒の偏在が生じても当該凝縮経路５０および蒸発経路５２を流通する二次冷媒の量を一致させるよう調節力が作用するので、二次冷媒のバランスを調節するために弁等の調節手段を設ける必要がなく、二次冷却装置６０の構成を簡易にできる。しかも、自然循環回路６２において、二次冷媒が円滑に自然対流するから、蒸発器ＥＰにおける冷却効率を向上することができる。従って、二次熱交換部４２および蒸発器ＥＰに凝縮経路５０および蒸発経路５２を複数設けることができ、凝縮経路５０および蒸発経路５２を屈曲や分岐することなく、熱交換面積を稼ぐことができる。
【００６１】
前記二次冷却装置６０では、カスケード熱交換器ＨＥおよび蒸発器ＥＰの夫々に凝縮経路５０および蒸発経路５２を複数配置することができる。すなわち、１本当たりの凝縮経路５０および蒸発経路５２に要求される熱交換面積が小さくなり、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２の配管長を短くすることが可能となる。これにより、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２において、必要とされる配管長を稼ぐために蛇行させる回数を少なくでき、流通抵抗となる屈曲部分を減らせるから、当該凝縮経路５０および蒸発経路５２を流通する二次冷媒の圧力損失を小さくすることができる。また、二次冷却装置６０は、液配管４４、ガス配管４６、凝縮経路５０および蒸発経路５２を分岐させることなく、自然循環回路６２を全体として１つの冷媒の経路で構成しているから、配管等の分岐部に起因する圧力損失が発生しない。自然循環回路６２では、凝縮経路５０と蒸発経路５２との間で自然対流に必要とされる二次冷媒のヘッド差を小さくできるので、凝縮経路５０と蒸発経路５２との間で要求される落差が小さくなり、二次熱交換部４２と蒸発器ＥＰとの上下の配置間隔を狭くすることが可能となり、二次冷却装置６０をコンパクトにできる。また、自然循環回路６２において、二次冷媒の圧力損失が小さいので、液配管４４およびガス配管４６として従来と比較して細い管径を選定しても、同一量の二次冷媒を回路内に循環させることができ、回路全体として充填する二次冷媒の量を削減することが可能となる。
【００６２】
このように、各凝縮経路５０および各蒸発経路５２の長さや断面積を減じることが可能であるので、二次熱交換部４２や蒸発器ＥＰをコンパクトにできると共に、循環する冷媒量を低減することで、自然循環回路６２の圧力上昇を緩和する膨張タンク(図示せず)の容量等の付帯設備も小さくなるので、二次冷却装置６０全体としてコンパクトにすることができ、コストダウンも可能となる。また液配管４４、ガス配管４６および蒸発管５６等の配管を細径化することで、これらの配管４４,４６,５６において耐圧性能を確保するために必要な肉厚を減ずることが可能となる。すなわち、各配管４４,４６,５６が細径化したことだけでなく、各配管４４,４６,５６の肉厚が減少することとの相乗によって、配管重量を一層削減することができ、コストを更に低減し得る。更に、実施例２の冷却設備３２であっても、段落［００３６］,［００４１］〜［００４８］で説明した作用効果を奏する。
【００６３】
実施例２の二次冷却装置６０は、単一の自然循環回路６２で構成されているので、冷媒チャージポート５４や圧力の過剰な上昇を防ぐ安全弁や膨張タンク(何れも図示せず)等の付帯設備を１つ設けるだけでよい。すなわち、実施例１の二次冷却装置４０の如く、独立した複数の自然循環回路４８を備える構成と比較して、二次冷媒の偏流の防止や配管径の細径化等のメリットを維持しつつ、付帯設備がコンパクトになり、コストを低減し得る。また、実施例２の二次冷却装置６０は、製造工程やメンテナンスにおける冷媒の充填作業を、単一の自然循環回路６２に対し行なうだけなので、作業性およびメンテナンス性を向上し得る。
【００６４】
(変更例)
本願は前述した各実施例の構成に限定されるものではなく、その他の構成を適宜に採用することができる。
１．実施例では、複数の蒸発経路における冷媒の流入端および流出端を、上下方向に整列する位置関係で配置した場合で説明したが、図７に示すように、各蒸発経路５２における冷媒の流入端５２ａおよび流出端５２ｂが、空気の流れ方向に偏倚するよう配置してもよい。
２．実施例では、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器の蒸発管を、同一平面(設置平面)上で蛇行状に配置した場合で説明したが、直線部分や折曲げ部分が同一平面上に配置されない構成であってもよい。例えば、図１９に示す如く、各蒸発管５６を、階段状の平面上で蛇行状に配置することで、該蒸発管５６を、全体として蒸発管群を流通する空気の流れ方向で階段状に形成する。より具体的には、蒸発管５６は、蒸発管群を流通する空気の流れ方向の上流側に設定された平面上で蛇行状に折り曲げて形成された上段部５６Ａと、下流側で上段部５６Ａより一段下がった位置に設定された平面上で蛇行状に折り曲げて形成された下段部５６Ｂと、上段部５６Ａにおける空気の流れ方向の下流端部と下段部５６Ｂにおける空気の流れ方向の上流端部とを接続する段差部５６Ｃとからなり、上段部５６Ａの前記下流端部より下段部５６Ｂの前記上流端部が上流側に延出して、全体としてＺ字状に形成される。そして、これら階段状に形成された複数の蒸発管５６が、各段を上下に離間するように層状に配置される。すなわち、上側に位置する蒸発管５６における上段部５６Ａと、下側に位置する蒸発管５６における上段部５６Ａとが上下に離間して層状に配置され、上側に位置する蒸発管５６における下段部５６Ｂと、下側に位置する蒸発管５６における下段部５６Ｂとが上下に離間して層状に配置される。
このように各蒸発管５６を、直線部分５６ａ,５６ａが上下に重なるように配置した段差部５６Ｃによって階段状(Ｚ字状)に形成することで、各蒸発管５６における熱交換長を、蒸発管群を流通する空気の流れ方向に同じ長さの１つの平面上で蛇行状に折り曲げた場合より長くすることができる。すなわち、同一能力の蒸発器ＥＰを、少ない本数の蒸発管５６で構成することができ、部品点数および組立て工数を減らして製造コストを低減し得る。また、各蒸発管５６は、蒸発経路５２における流入端５２ａ側から流出端５２ｂ側に上りとなる階段状に形成され、かつ上段部５６Ａおよび下段部５６Ｂを構成する直線部分５６ａが冷媒の流入端５２ａ側から流出端５２ｂ側に向けて順に上方に偏倚する(上段部５６Ａおよび下段部５６Ｂが形成される平面が流入端５２ａ側から流出端５２ｂ側に向けて上方傾斜する傾斜面となっている)よう形成されており、該蒸発管５６で蒸発する冷媒の循環が速やかに行なわれる。
図１９に示す変更例では、下側に位置する蒸発管５６における上段部５６Ａの下側に、蒸発管５６が存在しない空間が形成されるが、この空間の部分は、図１に示すように冷却室２８に蒸発器ＥＰを配置した場合に、前記送風ファン３０により冷却室２８に吸引された空気の流通量が少ない部分である。すなわち、蒸発管５６を階段状に形成したことで空間が生じたとしても、冷却室２８を流れる空気による熱交換が大きく低下するものではない。なお、蒸発管５６の段数は２段に限らず３段以上であってもよく、また上段部５６Ａと下段部５６Ｂとを接続する段差部５６Ｃは鉛直等、直線部分５６ａ,５６ａの少なくとも一部が上下に重なる関係となっていればよい。
３．実施例では、スパイラルフィンチューブ型の熱交換器の蒸発管を、同一平面(設置平面)上で蛇行状に配置した場合で説明したが、直線部分や折曲げ部分が同一平面上に配置されない構成であってもよい。例えば、蒸発管を階段状(例えばクランク状)の平面上で蛇行状に配置して熱交換器を構成し、各熱交換器における各段が上下に離間して層状に配置されるものであってもよい。なお、同一平面上に配置しない構成であっても、直線部分が冷媒の流入端側から流出端側に向けて順に上方に偏倚するように配置するのが好ましい。
４．実施例では、熱交換器として蒸発管の外周囲にフィンを螺旋状に巻き付けたスパイラルフィンチューブ型のものを採用した場合で説明したが、この構成に限定されるものではなく、例えば図８〜図１６に示す構成を採用し得る。
図８は、蒸発管５６の外周囲に螺旋状に巻き付けた突起状の伝熱促進部材７４の軸方向(蒸発管５６の長手方向)の厚みを大きくし、かつ伝熱促進部材７４の螺旋ピッチを狭く設定したものである。
また図９は、図８の変更例に比べて伝熱促進部材７４の軸方向の厚みを小さくし、かつ伝熱促進部材７４の螺旋ピッチを広く設定したものである。
図１０は、蒸発管５６の外周囲に多数のスパインフィン(伝熱促進部材)７６を螺旋状に突設したもの(所謂、スパインフィンチューブ)である。
図１１は、蒸発管５６の外周囲に、多数の突起状の伝熱促進部材７８を螺旋を描くように突設したものである。なお、図１１の変更例に係る伝熱促進部材７８における螺旋ピッチや、軸方向の厚み等は任意に設定が可能である。
図１２は、蒸発管５６の長手方向に離間して複数の板状の伝熱促進部材８０を並列に配設したものである。図１２の変更例に示す伝熱促進部材８０の形状としては、図１２(ａ)の円形、図１２(ｂ)の四角形、図１２(ｃ)の八角形、図１２(ｄ)の上下左右に突部を有して全体として十字形となる多角形であってもよく、その他各種形状を採用し得る。
図１３は、蒸発管５６の長手方向に離間して、複数(２本以上で全ての蒸発管より少ない数)の蒸発管５６に共通に接触するように板状の伝熱促進部材８２を並列に配設したものである。図１３の変更例に示す伝熱促進部材８２の形状としては、図１３(ａ)の四角形、図１３(ｂ)の小判形、図１３(ｃ)の矩形状に板体の左右端部に突部を有する多角形であってもよく、その他各種形状を採用し得る。
図１４は、蒸発管５６の長手方向に離間して複数の環状の伝熱促進部材８４を並列に配設したものであって、軸方向の厚みを大きくすると共に軸方向の離間間隔を広く設定したものである。図１４の変更例に示す伝熱促進部材８４の形状としては、図１４(ａ)の円形、図１４(ｂ)の四角形、図１４(ｃ)の八角形であってもよく、その他各種形状を採用し得る。
図１５は、蒸発管５６の外周囲に複数の突起８６ａを円形状に突設した伝熱促進部材８６を、長手方向に離間して複数並列に配設したものである。なお、図１５に示す変更例の伝熱促進部材８６の軸方向の離間寸法や軸方向の厚み等は任意に設定が可能である。また各突起８６ａの形状についても、複数の突起８６ａから構成される伝熱促進部材８６が、全体として図１４(ｂ),(ｃ)等に示す変更例の伝熱促進部材８４の外形形状と同一となるようなものであってもよい。
図１６は、図１４の変更例に比べて伝熱促進部材８８の軸方向の厚みを大きくし、かつ伝熱促進部材８８の螺旋ピッチを狭く設定したものである。なお、図１６に示す変更例の伝熱促進部材８８の形状については、図１４の変更例と同様に各種形状のものを採用可能である。また、各伝熱促進部材８８が、図１５の変更例のように複数の突起から構成されるものであってもよい。
５．実施例では、熱交換器としてスパイラルフィンチューブ型のものを採用したが、蒸発器を流通する空気の流れに対する蒸発管の配置および二次冷媒として伝熱性能に優れた二酸化炭素を用いることで、蒸発器での効率的な熱交換が達成されることから、蒸発管(管体)に各種の伝熱促進部材を配設していない、蒸発管(管体)のみからなる熱交換器を採用することができる。そして、このように蒸発管(管体)のみからなる熱交換器を採用することで、複数の熱交換器の離間間隔を小さくすることができ、蒸発器をよりコンパクトにすることが可能となる。
なお、伝熱促進部材を配設しない蒸発管としては、例えば図１７および図１８の構成を採用することができる。
図１７は、蒸発管５６の断面形状を多角形状として表面積を大きくするようにしたものであって、図１７(ａ)の八角形や、図１７(ｂ)の十字形等、その他各種の断面形状を採用することができる。
図１８は、蒸発管５６の表面に伝熱を促進する溝を形成したものであって、図１８(ａ)および(ｂ)に示すように周上で連続する溝９０を軸方向に離間して形成したものや、図１８(ｃ)〜(ｅ)に示すように、相互に連続しない多数の溝９２を周方向および軸方向に離間して形成したものを採用することができる。なお、図１８に示す変更例の溝の形状は、図示したものに限らず、任意の形状を採用し得る。
６．冷却設備の一次冷却装置として、吸収式やその他の冷凍回路も採用することができる。また、本発明に係る冷却装置は、熱交換部をファンによる送風等によって冷却する空冷式であってもよい。
７．カスケード熱交換器は、一次熱交換部と二次熱交換部とを別体で構成したり、他の方式の熱交換器であってもよい。
８．実施例では、一次冷却装置において液化冷媒を減圧する手段として膨張弁を用いたが、これに限られず、キャピラリーチューブまたはその他の減圧手段を採用し得る。
９．実施例では、二次ループ式冷凍回路を備える冷却設備の二次側に本発明に係る冷却装置を用いる例を挙げている。前述の如く、二次ループ式冷凍回路を備えた冷却設備の欠点を解消し得ることから、本発明に係る冷却装置を二次ループ式冷凍回路に適用することは非常に有用である。しかし、本発明に係る冷却装置は、二次ループ式冷凍回路に適用することに限定されず、単体で冷却装置として用いることも可能である。
１０．本発明の冷却装置は、冷凍庫、冷凍・冷蔵庫、ショーケースおよびプレハブ庫等の所謂貯蔵庫、その他空調設備等にも適用し得る。
【符号の説明】
【００６５】
３４ 一次冷却装置(一次側の回路)，４２ 二次熱交換部(熱交換部)，４４ 液配管
４６ ガス配管，４８ 自然循環回路，５０ 凝縮経路，５２ 蒸発経路
５２ａ 流入端，５２ｂ 流出端，５５ 熱交換器，５６ 蒸発管，５６ａ 直線部分
５６Ｃ 段差部，５８ フィン(伝熱促進部材)，６２ 自然循環回路
７４,７８,８０,８２,８４,８６,８８ 伝熱促進部材
７６ スパインフィン(伝熱促進部材)，ＥＰ 蒸発器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝縮経路(50)を流通する気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする熱交換部(42)と、この熱交換部(42)の下方に配置され、内部の蒸発経路(52)を流通する液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする管状の蒸発管(56)とを有し、液化冷媒を熱交換部(42)の凝縮経路(50)から前記蒸発経路(52)へ液配管(44)を介して流下させると共に、気化冷媒を前記蒸発経路(52)から熱交換部(42)の凝縮経路(50)へガス配管(46)を介して流通させる自然循環回路(48)を設けた冷却装置において、
互いに独立した複数の自然循環回路(48)と、複数の自然循環回路(48)の蒸発管(56)の集合で構成される蒸発器(EP)とを備えると共に、各自然循環回路(48)を循環する冷媒として二酸化炭素を用い、
前記各蒸発管(56)は、蒸発管(56)群を流通する空気の流れ方向と交差する横方向に直線部分(56a)が延在するよう蛇行状に折り曲げて形成され、
前記蒸発管(56)における前記空気の流れ方向下流側の部位に前記液配管(44)が接続されると共に、前記蒸発管(56)における前記空気の流れ方向上流側の部位に前記ガス配管(46)が接続され、
前記複数の蒸発管(56)は、相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置される
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
凝縮経路(50)を流通する気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする熱交換部(42)と、この熱交換部(42)の下方に配置され、内部の蒸発経路(52)を流通する液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする管状の蒸発管(56)とを有し、液化冷媒を熱交換部(42)の凝縮経路(50)から前記蒸発経路(52)へ液配管(44)を介して流下させると共に、気化冷媒を前記蒸発経路(52)から熱交換部(42)の凝縮経路(50)へガス配管(46)を介して流通させる自然循環回路(62)を設けた冷却装置において、
前記自然循環回路(62)は、複数の蒸発管(56)の集合で構成される蒸発器(EP)と、該複数の蒸発管(56)と同数の凝縮経路(50)とを備えると共に、該自然循環回路(62)を循環する冷媒として二酸化炭素を用い、
前記凝縮経路(50)の流出端(50b)に接続する液配管(44)を、当該凝縮経路(50)の流入端(50a)に連結したガス配管(46)が接続している蒸発管(56)と別の蒸発管(56)に接続すると共に、蒸発管(56)の流出端(52b)に接続するガス配管(46)を、当該蒸発管(56)の流入端(52a)に連結した液配管(44)が接続している凝縮経路(50)と別の凝縮経路(50)に接続して、全体として１つの自然循環回路(62)を構成し、
前記各蒸発管(56)は、蒸発管(56)群を流通する空気の流れ方向と交差する横方向に直線部分(56a)が延在するよう蛇行状に折り曲げて形成され、
前記蒸発管(56)における前記空気の流れ方向下流側の部位に前記液配管(44)が接続されると共に、前記蒸発管(56)における前記空気の流れ方向上流側の部位に前記ガス配管(46)が接続され、
前記複数の蒸発管(56)は、相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置される
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
前記蒸発経路(52)の液配管(44)が接続する流入端(52a)は、ガス配管(46)が接続する流出端(52b)より下方に位置している請求項１または２記載の冷却装置。
【請求項４】
前記各蒸発管(56)は、前記直線部分(56a)が少なくとも一部を上下に重なるよう配置された段差部(56C)によって蒸発管(56)群を流通する空気の流れ方向において階段状に形成され、該階段状に形成された複数の蒸発管(56)は、各段が上下の関係となるよう層状に配置される請求項１〜３の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記蒸発管(56)の外周囲に伝熱促進部材(58,74,76,78,80,82,84,86,88)が配設されると共に、蛇行状に折り曲げられている該蒸発管(56)における隣り合う直線部分(56a)の伝熱促進部材(58,74,76,78,80,82,84,86,88)は相互に離間するよう構成され、
前記複数の蒸発管(56)は、前記伝熱促進部材(58,74,76,78,80,82,84,86,88)が相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置される請求項１〜４の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項６】
冷媒を強制循環させる機械圧縮式の一次側の回路(34)に対して、前記自然循環回路(48,62)が前記熱交換部(42)を介して熱的に接続される請求項１〜５の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項１】
凝縮経路(50)を流通する気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする熱交換部(42)と、この熱交換部(42)の下方に配置され、内部の蒸発経路(52)を流通する液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする管状の蒸発管(56)とを有し、液化冷媒を熱交換部(42)の凝縮経路(50)から前記蒸発経路(52)へ液配管(44)を介して流下させると共に、気化冷媒を前記蒸発経路(52)から熱交換部(42)の凝縮経路(50)へガス配管(46)を介して流通させる自然循環回路(48)を設けた冷却装置において、
互いに独立した複数の自然循環回路(48)と、複数の自然循環回路(48)の蒸発管(56)の集合で構成される蒸発器(EP)とを備えると共に、各自然循環回路(48)を循環する冷媒として二酸化炭素を用い、
前記各蒸発管(56)は、蒸発管(56)群を流通する空気の流れ方向と交差する横方向に直線部分(56a)が延在するよう蛇行状に折り曲げて形成され、
前記蒸発管(56)における前記空気の流れ方向下流側の部位に前記液配管(44)が接続されると共に、前記蒸発管(56)における前記空気の流れ方向上流側の部位に前記ガス配管(46)が接続され、
前記複数の蒸発管(56)は、相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置される
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
凝縮経路(50)を流通する気化冷媒を凝縮して液化冷媒とする熱交換部(42)と、この熱交換部(42)の下方に配置され、内部の蒸発経路(52)を流通する液化冷媒を蒸発させて気化冷媒とする管状の蒸発管(56)とを有し、液化冷媒を熱交換部(42)の凝縮経路(50)から前記蒸発経路(52)へ液配管(44)を介して流下させると共に、気化冷媒を前記蒸発経路(52)から熱交換部(42)の凝縮経路(50)へガス配管(46)を介して流通させる自然循環回路(62)を設けた冷却装置において、
前記自然循環回路(62)は、複数の蒸発管(56)の集合で構成される蒸発器(EP)と、該複数の蒸発管(56)と同数の凝縮経路(50)とを備えると共に、該自然循環回路(62)を循環する冷媒として二酸化炭素を用い、
前記凝縮経路(50)の流出端(50b)に接続する液配管(44)を、当該凝縮経路(50)の流入端(50a)に連結したガス配管(46)が接続している蒸発管(56)と別の蒸発管(56)に接続すると共に、蒸発管(56)の流出端(52b)に接続するガス配管(46)を、当該蒸発管(56)の流入端(52a)に連結した液配管(44)が接続している凝縮経路(50)と別の凝縮経路(50)に接続して、全体として１つの自然循環回路(62)を構成し、
前記各蒸発管(56)は、蒸発管(56)群を流通する空気の流れ方向と交差する横方向に直線部分(56a)が延在するよう蛇行状に折り曲げて形成され、
前記蒸発管(56)における前記空気の流れ方向下流側の部位に前記液配管(44)が接続されると共に、前記蒸発管(56)における前記空気の流れ方向上流側の部位に前記ガス配管(46)が接続され、
前記複数の蒸発管(56)は、相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置される
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
前記蒸発経路(52)の液配管(44)が接続する流入端(52a)は、ガス配管(46)が接続する流出端(52b)より下方に位置している請求項１または２記載の冷却装置。
【請求項４】
前記各蒸発管(56)は、前記直線部分(56a)が少なくとも一部を上下に重なるよう配置された段差部(56C)によって蒸発管(56)群を流通する空気の流れ方向において階段状に形成され、該階段状に形成された複数の蒸発管(56)は、各段が上下の関係となるよう層状に配置される請求項１〜３の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記蒸発管(56)の外周囲に伝熱促進部材(58,74,76,78,80,82,84,86,88)が配設されると共に、蛇行状に折り曲げられている該蒸発管(56)における隣り合う直線部分(56a)の伝熱促進部材(58,74,76,78,80,82,84,86,88)は相互に離間するよう構成され、
前記複数の蒸発管(56)は、前記伝熱促進部材(58,74,76,78,80,82,84,86,88)が相互に離間する状態で上下の関係で層状に配置される請求項１〜４の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項６】
冷媒を強制循環させる機械圧縮式の一次側の回路(34)に対して、前記自然循環回路(48,62)が前記熱交換部(42)を介して熱的に接続される請求項１〜５の何れか一項に記載の冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１０−７８３０９（Ｐ２０１０−７８３０９Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６１０５４（Ｐ２００９−１６１０５４）
【出願日】平成２１年７月７日（２００９．７．７）
【出願人】（０００１９４８９３）ホシザキ電機株式会社 (989)
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月７日（２００９．７．７）
【出願人】（０００１９４８９３）ホシザキ電機株式会社 (989)
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