| 【発明の名称】 |
熱搬送装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】齋 博之
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| 【要約】 |
【課題】熱搬送媒体Ｑの封入量を最適な量に設定してコストパフォーマンスの高い熱搬送装置２０を提供する。
【解決手段】銅製のパイプを環状に接続し、その肉厚を１．１ｍｍ、単位長さ当りの重さを２７４ｇ／ｍ、環境の最高温度を５５℃にしたときに、熱搬送媒体Ｑのなす圧力が１０ＭＰａより低い圧力になるように当該熱搬送媒体Ｑの封入量を３００ｋｇ／ｍ3以下にする。このときの熱搬送媒体Ｑとして二酸化炭素を用いる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 銅製のパイプを環状に接続して形成され、その中に二酸化炭素の熱搬送媒体が１００ｋｇ／ｍ3〜３００ｋｇ／ｍ3の範囲で封入されることにより気液混合状態となって貯留されて、液相の前記熱搬送媒体が貯留されている領域に熱接触する熱源と気相の前記熱搬送媒体が貯留されている領域に熱接触する熱源との間を当該熱搬送媒体が相状態を変えることにより行き来して熱を搬送するようにしたことを特徴とする熱搬送装置。
【請求項２】 前記パイプの肉厚が１．１ｍｍ、単位長さ当りの重さが２７４ｇ／ｍ、環境の最高温度を５５℃にしたときに、前記熱搬送媒体によるパイプの内圧が１０ＭＰａより低い圧力になるように当該熱搬送媒体の最大封入量を３００ｋｇ／ｍ3にしたことを特徴とする請求項１記載の熱搬送装置。
【請求項３】 前記パイプの肉厚が０．８９ｍｍ、単位長さ当りの重さが２２８ｇ／ｍ、環境の最高温度を５５℃にしたときに、前記熱搬送媒体によるパイプの内圧が８ＭＰａより低い圧力になるように当該熱搬送媒体の最大封入量を２００ｋｇ／ｍ3にしたことを特徴とする請求項１記載の熱搬送装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、相変化を繰返すことにより熱を搬送する熱搬送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】今日、熱を効率よく搬送する熱搬送装置としてヒートパイプが知られている。かかるヒートパイプの概略構成を図７に示す。
【０００３】ヒートパイプは、パイプの両端を閉じて形成し、その内部に気液混合状態の熱搬送媒体Ｑが封入され、この上端側が気相の熱搬送媒体Ｑが貯留される気相部１１３、下端側が液相の熱搬送媒体Ｑが貯留される液相部１１２に構成されて、気相部１１３には低熱源１１６が熱接触し、液相部１１２には高熱源１１５が熱接触している。
【０００４】これにより、熱搬送媒体Ｑが液相部１１２と気相部１１３との温度差を無くするように、即ち低熱源１１６と高熱源１１５との温度差を無くするように等圧条件の下で相変化を繰返して熱を搬送するようになっている。
【０００５】なお、液相の熱搬送媒体Ｑを液相熱搬送媒体ＱＬで示し、気相の熱搬送媒体Ｑを気相熱搬送媒体ＱＧで示す。
【０００６】例えば、液相部１１２の液相熱搬送媒体が高熱源１１５により加熱されると蒸発し、気相部１１３に移動する。その際の蒸発熱は、高熱源１１５から与えられ、これにより高熱源１１５の温度が下がる。
【０００７】気相部１１３の気相熱搬送媒体ＱＧは、低熱源１１６により冷却されて凝縮し、重力作用により滴下して液相部１１２に戻る。その際の凝縮熱は低熱源１１６に与えられ、これにより低熱源１１６の温度が上がる。
【０００８】このようなサイクルにより熱搬送が行われ、かかる熱搬送は低熱源１１６と高熱源１１５との温度差が無くなるまで継続する。
【０００９】このときヒートパイプ内がクローズされた空間であり、かつ、熱搬送媒体Ｑが気液混合状態（湿り状態）にあるため、圧力一定のもとで熱搬送するので外部になす仕事が理論上ゼロになって効率的な熱搬送が可能になっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる熱搬送媒体Ｑが、効率的に熱搬送するためには常に湿り状態にあることが要求される。
【００１１】即ち、ヒートパイプに封入された熱搬送媒体の封入量が少ない場合には、湿り度が小さくなって、液相熱搬送媒体ＱＬが少なくなる。従って、高熱源１１５の熱により容易に全ての液相熱搬送媒体ＱＬが気化してしまう事態が生じる。
【００１２】逆に、ヒートパイプに封入された熱搬送媒体の封入量が多い場合には、湿り度が大きくなって、液相熱搬送媒体ＱＬが多くなる。従って、封入量が多い場合は、凝縮部に貯留する液量が増えて熱交換特性が劣化する。
【００１３】無論、これらは高熱源１１５及び低熱源１１６の熱源容量や液相部１１２と気相部１１３との距離等にも依存するため一概に断じることはできないが、いずれにしても熱搬送媒体Ｑの最適封入量が存在する。
【００１４】また、このようなヒートパイプは運転状態と停止状態との２状態を経験する。即ち、高熱源１１５と低熱源１１６とが存在する状態は運転状態であり、高熱源１１５と低熱源１１６とが存在しない状態（温度が等しい状態）は停止状態である。
【００１５】そして、停止状態では環境温度が３１℃を越えると、ヒートパイプ内の二酸化炭素が超臨界状態となり封入量が多いほど内圧が高くなる。
【００１６】このとき、内圧が例えばヒートパイプの端部封止強度等により決る耐圧特性よりも高くなるとヒートパイプは破裂等を起こしてしまう。
【００１７】そこで、本発明は、熱搬送媒体の封入量を最適な量に設定してコストパフォーマンスの高い熱搬送装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、銅製のパイプを環状に接続して形成され、その中に二酸化炭素の熱搬送媒体を１００ｋｇ／ｍ3〜３００ｋｇ／ｍ3の範囲で封入して気液混合状態で貯留し、これにより液相の熱搬送媒体が貯留されている領域に熱接触する熱源と気相の熱搬送媒体が貯留されている領域に熱接触する熱源との間を当該熱搬送媒体が相状態を変えることにより行き来して熱を搬送するようにして、熱搬送の効率化及び装置のコストパフォーマンスを高めたことを特徴とする。
【００１９】請求項２にかかる発明は、パイプの肉厚が１．１ｍｍ、単位長さ当りの重さが２７４ｇ／ｍ、環境の最高温度を５５℃にしたときに、熱搬送媒体のなす圧力が１０ＭＰａより低い圧力になるように当該熱搬送媒体の最大封入量を３００ｋｇ／ｍ3にして、熱搬送の効率化及び装置のコストパフォーマンスを高めたことを特徴とする。
【００２０】請求項３にかかる発明は、パイプの肉厚が０．８９ｍｍ、単位長さ当りの重さが２２８ｇ／ｍ、環境の最高温度を５５℃にしたときに、熱搬送媒体のなす圧力が８ＭＰａより低い圧力になるように当該熱搬送媒体の最大封入量を２００ｋｇ／ｍ3にして、熱搬送の効率化及び装置のコストパフォーマンスを高めたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は、本発明にかかる熱搬送装置の模式図で、銅やアルミニューム等を材料として環状に形成され、この管内に熱搬送媒体として二酸化炭が後述する手順により封入されている。
【００２２】図中斜線領域は、二酸化炭素が液化して貯留されている液相領域ＱＬであり、点線領域は二酸化炭素が気化している気相領域ＱＧである。
【００２３】なお、熱搬送媒体として二酸化炭素を選択したのは、オゾン破壊係数がゼロ、地球温暖化係数が小さい（ＣＯ2で１）、爆発等の危険がない、無害である、冷蔵庫等の冷凍域（−４０℃〜０℃）に適している等の理由からである。
【００２４】図２は環境温度（横軸）を変化させたときの熱搬送装置の内圧（縦軸）を二酸化炭素の封入量に対して示した図である。
【００２５】同図から分るように、環境温度が上昇するに従い熱搬送装置内の圧力も上昇する。なお、０℃での圧力が封入量に依存していないのは、少なくともこの温度で二酸化炭素が気液混合状態になっているためである。
【００２６】冷蔵庫等の冷凍機器は、通常０℃以下の冷気を発生するのに用いられるので、これらの冷凍装置が運転されているときは熱搬送装置内の温度は、０℃近傍の温度以下となっている。
【００２７】しかし、このような冷凍装置を輸送したり、倉庫に保管したりする場合には、熱搬送装置内の温度は環境温度に等しくなり、時には臨界点（３１℃）を越えてしまい内圧が上昇し破裂等を起す危険がある。
【００２８】従って、こような危険を防止するためには、熱搬送装置の肉厚を厚くして耐圧特性を向上させればよいが、これでは部材コストが上昇すると共に、熱搬送装置が重くなってしまう。
【００２９】このような観点から、本発明にかかる熱搬送装置は、上述したように銅やアルミニューム等の熱伝導性の優れている金属等からなる直線状のパイプを曲げて環状に形成して、端部を通常の溶接技術等を用いて接続している。
【００３０】例えば、銅製のパイプを銀ロウ等により接続した場合、熱搬送装置の肉厚を１．１ｍｍ、重量を２７４ｇ／ｍとしたとき許容できる内圧は１０ＭＰａである。
【００３１】そこで、環境の最高温度を５５℃とすると、二酸化炭素の封入量は図３から３００ｋｇ／ｍ3以下にしなければならないことが分る。
【００３２】同様に、熱搬送装置の肉厚０．８９ｍｍ、重量を２２８ｇ／ｍとしたときには、許容できる内圧は８ＭＰａであり、環境温度を５５℃とすると、二酸化炭素の封入量は２００ｋｇ／ｍ3以下にしなければならないことが分る。なお、図３はこれらの結果をまとめて図示した表である。
【００３３】なお、封入量の下限としては、上記条件の下では１００ｋｇ／ｍ3が妥当である。
【００３４】次に、このような熱搬送装置の適用例として冷蔵庫を例に説明する。図４は冷蔵庫の概略構造を示す断面図で、この冷蔵庫は庫内空気（被冷却空気）と接触しないように設けられて冷熱を発生する冷熱発生装置１０、庫内空気と熱接触が可能に設けられて冷熱発生装置１０からの熱を庫内空気に伝達する上述した熱搬送装置２０等を主要構成としている。
【００３５】冷熱発生装置１０には、ＨＣ２９０（プロパン）等の自然冷媒が循環し、当該自然冷媒を圧縮する圧縮機１１、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器１２、凝縮した冷媒を減圧する減圧器１３、該減圧器１３で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器１４等により構成されている。
【００３６】なお、以下の説明では冷熱発生装置１０を循環する自然冷媒を単に冷媒と記載する。
【００３７】また、熱搬送装置２０は、図５に示すように、上端が蒸発器１４と熱接触する熱搬送媒体凝縮部２２、下端が庫内空気と熱接触するフィン２４等を備えた熱搬送媒体蒸発部２３とに構成されている。
【００３８】冷蔵庫は外箱２と内箱３とを有し、これらの間に断熱材５が封入されている。さらに冷蔵庫の前面には扉４が設けられると共に、下部等に圧縮機１１及び凝縮器１２が配設されている。
【００３９】また蒸発器１４及び熱搬送媒体凝縮部２２は、冷蔵庫の背面上部側の内箱３と外箱２の間に設けられ、熱搬送媒体蒸発部２３は庫内の冷却室６に設けられて、ファン７により庫内空気が循環するようになっている。
【００４０】熱搬送媒体凝縮部２２は熱搬送装置２１の上方に位置して傾斜して設けられて、当該部分の熱搬送装置２１に管状の蒸発器１４が挿入された２重管構造に形成されている。
【００４１】これにより、減圧器１３で減圧された冷媒が蒸発器１４に循環して当該領域の二酸化炭素を冷却するようになっている。
【００４２】その際に、傾斜した熱搬送媒体凝縮部２２に設けられている蒸発器１４の冷媒供給口１５は、冷媒吐出口１６より低い位置になるように設定されて、二酸化炭素の凝縮が効率的に行えるようになっている。
【００４３】また、熱搬送媒体蒸発部２３は熱搬送装置２１の下方に位置し、当該部分にフィン２４等が設けられて、庫内空気と二酸化炭素とが効率的に熱交換できるようになっている。
【００４４】そして、圧縮機１１で圧縮されてホットガスとなった冷媒は、凝縮器１２により凝縮し、減圧器１３で減圧されて液化する。
【００４５】液化した冷媒は、熱搬送装置２１の熱搬送媒体凝縮部２２に設けられた蒸発器１４に供給され、当該熱搬送媒体凝縮部２２を冷却して蒸発し、圧縮機１１へと戻る。
【００４６】一方、熱搬送装置２１には上述したように二酸化炭素が封入され、液化した二酸化炭素が熱搬送媒体蒸発部２３に貯留されている。
【００４７】そして、庫内空気により熱搬送媒体蒸発部２３に貯留されている二酸化炭素が加熱（即ち、庫内空気は冷却される）されて蒸発し、熱搬送媒体凝縮部２２へと上昇する。
【００４８】熱搬送媒体凝縮部２２は上述したように冷気発生装置により冷却されているので、その熱を受けて蒸発した二酸化炭素が液化して熱搬送媒体蒸発部２３に貯まる。
【００４９】このように二酸化炭素は、熱搬送媒体凝縮部２２の冷媒と熱搬送媒体蒸発部２３の庫内空気とを熱源として熱搬送装置２１内を循環し、これにより冷熱発生装置１０で発生した冷熱が庫内に伝達されて、当該庫内を冷却するようになっている。
【００５０】このとき圧縮機１１、凝縮器１２、減圧器１３及び蒸発器１４は冷媒配管により環状に連結されており、例えば凝縮器１２と冷媒配管との接続においてピンホール等が存在するとそこから可燃性の冷媒が漏れてしまうことがある。
【００５１】冷媒が発火等を起すためには、漏れた冷媒が貯まって空気と所定の比率になることが必要である。
【００５２】しかし、冷熱発生装置１０は、冷蔵庫の筐体内であっても発火点となるスイッチ類が露出している空間に設けられておらず、また室内との通気が可能なように設けられているので、実質的に冷蔵庫の筐体と庫内との間で爆発等が起る恐れはない。
【００５３】一方、庫内は密閉された空間であり、扉スイッチや庫内灯等の発火点となり得るものが存在するが、蒸発器１４が庫内に設けられていないので、冷媒が庫内に漏れて貯まることがない。
【００５４】従って、冷熱発生装置１０に可燃性の自然冷媒を用いても爆発等の危険性を防止することが可能になる。
【００５５】なお、図２等からも分るように、二酸化炭素は蒸発、凝縮を繰返すことにより熱搬送装置２１内を循環するようになっているのでメカニカルな圧縮機１１等の作用を必要とせず、かかる観点から熱搬送効率が非常に高い構成となっている。
【００５６】また、熱搬送媒体としの二酸化炭素は大気中に含まれるものであり、安全性の観点からも好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、熱搬送媒体が熱搬送装置２１内で液相と気相との湿り状態で存在することができる物質で有ればよい。
【００５７】さらに、上記説明では冷凍装置として冷蔵庫を例に説明したが本発明はこれに限定されるものではなく、図６に示すようなショーケース等のようなものであっても良い。
【００５８】このような場合には、冷熱発生装置１０における圧縮機１１や凝縮器１２は店舗外に配置されて冷媒を圧縮し凝縮して、店舗内に配設された減圧器１３及び蒸発器１４等に供給する場合が多く、また蒸発器１４を搭載するショーケース本体は、長尺物である場合が多い。
【００５９】このため熱搬送装置は長くなってしまい、熱搬送媒体蒸発部２３で空気により蒸発した熱搬送媒体を効率的に蒸発部に戻すことが困難になる場合がある。
【００６０】そこで、かかる場合には環状に形成された熱搬送装置２１の途中にポンプ２５を設けて熱搬送媒体を強制的に循環させるようにすることが好ましい。
【００６１】
【発明の効果】以上説明したように請求項１にかかる発明によれば、銅製のパイプを環状に接続して形成され、その中に熱搬送媒体を１００ｋｇ／ｍ3〜３００ｋｇ／ｍ3の範囲で封入したので、熱搬送の効率化及び装置のコストパフォーマンスを高めることが可能になる【００６２】請求項２にかかる発明によれば、パイプの肉厚が１．１ｍｍ、単位長さ当りの重さが２７４ｇ／ｍ、環境の最高温度を５５℃にしたときに、熱搬送媒体のなす圧力が１０ＭＰａより低い圧力になるように当該熱搬送媒体の最大封入量を３００ｋｇ／ｍ3にしたので、熱搬送の効率化及び装置のコストパフォーマンスを高めたことが可能になる。
【００６３】請求項３にかかる発明によれば、パイプの肉厚が０．８９ｍｍ、単位長さ当りの重さが２２８ｇ／ｍ、環境の最高温度を５５℃にしたときに、熱搬送媒体のなす圧力が８ＭＰａより低い圧力になるように当該熱搬送媒体の最大封入量を２００ｋｇ／ｍ3にしたので、熱搬送の効率化及び装置のコストパフォーマンスを高めたことが可能になる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１８８９
【氏名又は名称】三洋電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年９月２４日（１９９９．９．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８３２３１
【弁理士】
【氏名又は名称】紋田 誠 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−９１１７３（Ｐ２００１−９１１７３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年４月６日（２００１．４．６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２７０２０５ |
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