JP2000205682A

JP2000205682A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2000205682A
Application number: JP11002764A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Shimizu; 克美清水
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-01-08
Filing date: 1999-01-08
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、熱交換器の霜取りが可能なスター
リング冷凍機を備えた冷却装置、及び本体の露付きを防
止する手段が施された冷却装置を提供することを目的と
する。【解決手段】本発明では、冷熱が発生するスターリン
グ冷凍機９の冷却部８と該冷熱を熱交換させる冷却器１
０との間で液体の熱媒体が循環する第１配管１１ａ、及
び熱が発生するスターリング冷凍機９の放熱部６と該熱
を熱交換させる放熱器１２との間で液体の熱媒体が循環
する第２配管１１ｂが配されており、冷却器１０に放熱
部６で発生した熱を導く手段として、スターリング冷凍
機９で冷熱が発生していないときに第２配管１１ｂを流
れる熱媒体を第１配管１１ａに導く切替え弁１３を設け
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フリーピストン型
スターリング冷凍機で発生する冷熱によって被冷却物を
冷却する冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、冷凍冷蔵庫などの冷却装置には
冷凍サイクルとして蒸気圧縮式のものが採用されてい
る。こうした蒸気圧縮式の冷凍サイクルは作動媒体にフ
ロンを用いており、その凝縮、蒸発を利用して冷却性能
を得ている。ところが、フロンは非常に化学的安定性が
高く、大気中に放出されると成層圏に達してオゾン層を
破壊するとの指摘があるので、近年では特定フロンを対
象として使用、並びに生産が規制されてきている。

【０００３】そこで、上記フロンを用いた冷凍サイクル
に変わるものとして、逆スターリング冷凍サイクルが注
目されている。スターリング冷凍サイクルは、作動媒体
としてヘリウムガス、水素ガス、窒素ガスなどといった
地球環境に悪影響を与えないガスを採用したものであ
る。その逆スターリング冷凍サイクルによって低温を得
るスターリング冷凍機は、極低温レベルの寒冷を発生さ
せることができる小型冷凍機の一種として知られてい
る。

【０００４】該スターリング冷凍機は、作動ガスを圧縮
する圧縮機構と該圧縮機構から吐出された作動ガスを膨
張させる膨張機構とを組み合わせたものである。膨張機
構は先端が閉塞され作動ガスが封入されたシリンダと、
該シリンダ内に往復運動が可能に嵌装されていてシリン
ダ内を先端側の膨張室と基端側の作動室とに区画形成す
るディスプレーサとから成る。

【０００５】作動室は圧縮機構に接続されていて、圧縮
機構でのパワーピストンの往復運動により発生するガス
圧でディスプレーサを往復運動させる。これによって、
膨張室では作動ガスが膨張したときに冷熱が発生する。
尚、この方式のスターリング冷凍機は一般にフリーピス
トン型スターリング冷凍機と呼ばれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記スターリング冷凍
機を用いた冷却装置では、冷却部(膨張室)で発生した冷
熱を熱交換器を介して空気と熱交換させている。その
際、長時間使用していると熱交換器には霜が付着する。
着霜状態のまま冷凍機を動作させた場合、冷却性能が低
下するだけでなく熱交換器のフィン間に霜が堆積して送
風できなくなる。

【０００７】また、冷却装置の本体には被冷却物を収納
するための被冷却物収納室にドアが設けられており、そ
の本体のドア枠にはパッキンが取り付けられている。該
パッキンには、空気中の湿気によりドアの開閉に伴って
露が付くという不都合があった。

【０００８】従来の蒸気圧縮式サイクルによるランキン
サイクル型冷凍機の場合は作動媒体の配管によってサイ
クルが構成されているので、この配管のうちの凝縮機の
一部分をドア枠のパッキンに配置して露付きを防止して
いた。しかしながら、スターリング冷凍機では配管構成
がないため、露付き防止用として新たに発熱体を設けな
ければならなかった。

【０００９】本発明は上記課題をかんがみて成されたも
のであり、熱交換器の除霜が可能なスターリング冷凍機
を備えた冷却装置を提供することを目的とする。また、
本発明のほかの目的は本体の露付きを防止する手段が施
された冷却装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の冷却装置は、作動ガスを封入したシリン
ダ内でパワーピストン及びディスプレーサが往復運動す
ることにより冷熱を発生させるフリーピストン型スター
リング冷凍機を備え、該スターリング冷凍機で発生した
冷熱により被冷却物を冷却する冷却装置において、作動
ガスの膨張によりスターリング冷凍機の冷却部で発生し
た冷熱を熱交換させる冷却側熱交換器に作動ガスの圧縮
によりスターリング冷凍機の放熱部で発生した熱を導く
手段を設けたことを特徴とする。

【００１１】上記冷却装置では、長時間使用していると
冷却側熱交換器に霜が付着する。この冷却側熱交換器に
スターリング冷凍機の放熱部で発生した熱を導くことに
よって、付着していた霜が溶融される。

【００１２】請求項２の冷却装置は、請求項１の冷却装
置において、冷却部と冷却側熱交換器との間で液体の熱
媒体が循環する第１循環経路、及び放熱部と放熱側熱交
換器との間で液体の熱媒体が循環する第２循環経路が配
されており、前記熱を導く手段としてスターリング冷凍
機で冷熱が発生していないときに第２循環経路を流れる
熱媒体を第１循環経路に導く手段を設けたことを特徴と
する。

【００１３】上記冷却装置では、第１循環経路を流れる
熱媒体によって冷却部で発生した冷熱が冷却側熱交換器
へ搬送され、そこで空気などと熱交換される。また、第
２循環経路を流れる熱媒体によって放熱部で発生した熱
が放熱側熱交換器へ搬送され、そこで空気などと熱交換
される。

【００１４】故に、スターリング冷凍機で冷熱が発生し
ていないときに第２循環経路を流れる熱媒体を第１循環
経路に導いた場合、放熱部で発生した熱が冷却側熱交換
器まで搬送される。この冷却側熱交換器に霜が付着して
いると、搬送されてきた熱によって霜が溶融される。

【００１５】請求項３の冷却装置は、請求項１に記載の
冷却装置において、冷却部で発生した冷熱が冷却側熱交
換器を介して通風路内の空気と熱交換される第１通風
路、及び放熱部で発生した熱が放熱側熱交換器を介して
通風路内の空気と熱交換される第２通風路が配されてお
り、前記熱を導く手段として第１通風路を閉塞する手段
と閉塞された第１通風路内に第２通風路内の空気を導く
手段とを設けたことを特徴とする。

【００１６】上記冷却装置では、冷却部で発生した冷熱
により第１通風路内には冷気流が流れている。また、放
熱部で発生した熱により第２通風路内には熱気流が流れ
ている。故に、第１通風路が閉塞されて第２通風路の熱
気流が導かれると、その熱によって冷却側熱交換器に付
着した霜が溶融される。

【００１７】請求項４の冷却装置は、作動ガスを封入し
たシリンダ内でパワーピストン及びディスプレーサが往
復運動することにより冷熱を発生させるフリーピストン
型スターリング冷凍機を備え、該スターリング冷凍機で
発生した冷熱により被冷却物を冷却する冷却装置におい
て、パワーピストンとディスプレーサが往復運動する周
期の位相差がゼロになるように制御することを特徴とす
る。

【００１８】パワーピストンとディスプレーサが往復運
動する周期の位相差がゼロになると、作動ガスが膨張さ
れて冷熱が発生していた冷却部では、パワーピストンと
ディスプレーサの運動によって作動ガスの圧縮が起こり
熱が発生する。この熱は冷却側熱交換器に伝導されるの
で、該熱交換器に付着していた霜が溶融される。

【００１９】請求項５の冷却装置は、請求項２に記載の
冷却装置において、冷却側熱交換器を介して冷熱と熱交
換された空気により冷却される被冷却物を収納するため
の被冷却物収納室が設けられており、該被冷却物収納室
のドアを取り付けるためのドア枠には第２循環経路の一
部が配されることを特徴とする。

【００２０】上述したように、請求項２の冷却装置では
放熱部で発生した熱が熱媒体を介して第２循環経路に流
れている。故に、被冷却物収納室本体のドア枠では第２
循環経路を搬送される熱によって露が付かない。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら説明する。尚、各図とも同じ名
称の部材には同一の符号を付している。

【００２２】先ず、各実施形態に共通して用いられる一
般的なフリーピストン型スターリング冷凍機について説
明する。図１はこのスターリング冷凍機の断面構成図で
ある。シリンダ１内には作動ガスが封入されており、そ
こへピストン２とディスプレーサ３とが嵌入されてい
る。このディスプレーサ３によって、シリンダ１内には
先端側の膨張室１ａと基端側の圧縮室(作動室)１ｂとが
形成されている。

【００２３】ピストン２は、リニアモータ４による駆動
と共振用バネ５によって正弦周期の運動を行うものであ
る。このピストン２により圧縮室１ｂ内で圧縮された作
動ガスは、シリンダ１の先端側に移動する。このとき、
熱を帯びた作動ガスは放熱部６で放熱し、ディスプレー
サ３内の再生器７で予冷されから膨張室１ａに流入す
る。

【００２４】膨張室１ａに流入した作動ガスによって、
ディスプレーサ３がシリンダ１内を摺動する。故に、膨
張室１ａ内の作動ガスは膨張して冷熱が発生する。８は
該スターリング冷凍機の冷却部である。尚、５′はディ
スプレーサ３を往復運動させるための共振用バネであ
る。ここでは、これらの共振用バネ５,５′に共振用ガ
スバネの代わりとしてコイルバネを用いている。

【００２５】この後、圧縮室１ｂ内に流入してくる作動
ガスをピストン２は再び圧縮する。ピストン２は正弦周
期の運動を行うことから、膨張室１ａ内の作動ガスの圧
力と圧縮室１ｂ内の作動ガスの圧力とはある位相差をも
って正弦周期で変化することになる。即ち、ディスプレ
ーサ３もピストン２に対してある位相差をもって摺動す
る。

【００２６】膨張室１ａでの冷凍能力は、ディスプレー
サ３の摺動に大きく影響を受けるものである。このディ
スプレーサ３の摺動する振幅は、ピストン２とディスプ
レーサ３の位相差、即ち膨張室１ａと圧縮室１ｂとの時
間変化する圧力差によって生じるディスプレーサ３とピ
ストン２の動きの差に影響を受ける。従って、スターリ
ング冷凍機は常に一定の状態で運転される。

【００２７】上記スターリング冷凍機を備えた冷却装置
の第１実施形態について説明する。図２は本実施形態の
構成概略図である。図に示すように、スターリング冷凍
機９の冷却部８と冷却器(冷却側熱交換器)１０との間に
は第１配管１１ａが配されており、放熱部６と放熱器
(放熱側熱交換器)１２との間には第２配管１１ｂが配さ
れている。これらの配管１１ａ,１１ｂは切替え弁１３
を介して連通している。

【００２８】通常運転の場合、熱媒体は第１及び第２配
管１１ａ,１１ｂ内をそれぞれ循環する(図中、矢印Ａは
配管１１ａを流れる熱媒体。矢印Ａ′は配管１１ｂを流
れる熱媒体。)。即ち、第１配管１１ａを流れる熱媒体は
冷却部８で冷熱が与えられ、冷却器１０に達すると空気
と熱交換される。

【００２９】この冷気によって、図示しない被冷却物が
冷却される。１４ａは熱媒体用ジャケット、１５ａは第
１配管１１ａ内に熱媒体を循環させるポンプ、１６ａは
冷却器１０で熱交換された空気を送出する送風ファンで
ある。

【００３０】また、第２配管１１ｂを流れる熱媒体は放
熱部６で熱が与えられ、放熱器１２に達すると空気と熱
交換される。これによって、スターリング冷凍機９で発
生した熱は外部に放出される。

【００３１】１４ｂは熱媒体用ジャケット、１５ｂは第
２配管１１ｂ内に熱媒体を循環させるポンプ、１６ｂは
冷却器１０で熱交換された空気を送出する送風ファンで
ある。尚、スターリング冷凍機９の冷却部８及び放熱部
６には図示しない温度センサが設けられており、それぞ
れの温度を測定している。

【００３２】この冷却装置の運転を制御する図示しない
制御回路ではタイマが設けられており、スターリング冷
凍機９の運転積算時間をカウントしている。所定時間が
経過したと判断されると、冷却器１０に付着した霜を除
去するための除霜運転を行う。

【００３３】それには先ず、スターリング冷凍機９の運
転を停止させる。そして、切替え弁１３によって第２配
管１１ｂを流れる熱媒体を第１配管１１ａに導く。第１
配管１１ａへ導かれた熱媒体は切替え弁１３によって再
び第２配管１１ａに戻される。つまり、切替え弁１３へ
配管１１ｂより矢印Ａ′方向に流入した熱媒体は配管１
１ａの矢印Ａ方向に流出する。また、配管１１ａより矢
印Ａ方向に流入した熱媒体は配管１１ｂの矢印Ａ′方向
に流出する。

【００３４】従って、放熱部６で熱を与えられた熱媒体
が冷却器１０に送出されるので、冷却器１０の霜が溶融
する。前記温度センサによって冷却部８の温度が一定に
なったと判断されると、切替え弁１３をもとに戻して通
常の運転を再開する。

【００３５】次に、第２実施形態について説明する。図
３は本実施形態の構成概略図である。図に示すように、
冷却装置本体の断熱箱１７内には第１通風路１８ａが設
けられている。この第１通風路１８ａは、吹出口１９を
介して被冷却物収納室２０内と連通している。

【００３６】スターリング冷凍機９の冷却部８には冷却
器１０が取り付けられおり、共に第１通風路１８ａ内に
位置している。故に、通風路１８ａ内の空気は冷却器１
０を介して冷熱と熱交換し冷気となる。第１通風路１８
ａの吹出口１９にはダンパー２１が取り付けられてい
て、送風ファン２２によって被冷却物収納室２０内へ送
出される第１通風路１８ａからの冷気量を調節してい
る。

【００３７】また、断熱箱１７の背面には第２通風路１
８ｂが設けられている。この第２通風路１８ｂは連通口
２３を介して第１通風路１８ａに連通している。スター
リング冷凍機９の放熱部６には放熱器１２が取り付けら
れており、共に第２通風路１８ｂ内に位置している。故
に、通風路１８ｂ内の空気は放熱器１２を介して熱交換
し熱気となる。

【００３８】連通口２３にはダンパー２１′が取り付け
られていて、送風ファン２２′によって第１通風路１８
ａへ送出される熱気量を調節している。通常運転の場
合、この連通口２３はダンパー２１′により閉じられて
いる。尚、スターリング冷凍機９の冷却部８及び放熱部
６には図示しない温度センサが設けられており、それぞ
れの温度を測定している。

【００３９】この冷却装置の運転を制御する図示しない
制御回路ではタイマが設けられており、スターリング冷
凍機９の運転積算時間をカウントしている。所定時間が
経過したと判断されると、冷凍機９に付着した霜を除去
するための除霜運転を行う。それには先ず、スターリン
グ冷凍機９の運転を停止させ、ダンパー２１により吹出
口１９を閉じる。

【００４０】そして、ダンパー２１′により連通口２３
を開放して送風ファン２２′を作動させ、第２通風路１
８内の熱気流を第１通風路１８に導く。この熱によっ
て、冷却機９の霜が溶融する。前記温度センサによって
冷却部８の温度が一定になったと判断されると、連通口
２３を閉じて通常運転を再開する。そして、第１通風路
１８ａ内の空気が低温になったところで吹出口１９を開
放する。

【００４１】次に、第３実施形態について説明する。図
１に示すフリーピストン型スターリングサイクルでは、
ディスプレーサ３はピストン２に対してある位相差をも
って摺動する。その位相差は、運転条件が同一であれば
ディスプレーサ３の質量、共振用バネ５のバネ定数、及
び動作周波数により決まる。ディスプレーサ３の質量や
共振用バネ５のバネ定数は設計時に決まるが、動作周波
数については可変である。

【００４２】図４はフリーピストン型スターリング冷凍
機の電源周波数を変化させたときの冷凍機出力及び位相
差を測定した結果を示す。電源周波数を強制的に共振周
波数から外した場合、位相差が変化すると共に冷凍能力
も低下する。例えば、３Hz程度の変化で冷凍能力が１４
％低下することが認められる。

【００４３】これをさらに押し進め、ピストン２とディ
スプレーサ３の位相差をゼロとした場合、図１に示すピ
ストン２とディスプレーサ３で囲まれた圧縮室１ｂの容
積は変化せず、ディスプレーサ３の運動によって膨張室
１ａ内の作動ガスが圧縮膨張される。従って、冷却部８
では熱が発生する。

【００４４】本実施形態の冷却装置では、第１及び第２
実施形態と同様にタイマによって除霜運転を行う時期が
検出される。そして、除霜運転として、上述したように
ピストン２とディスプレーサ３の位相差がゼロとなるよ
うに運動を制御する。これによって冷却部８が加熱され
るので、冷却器１０はこの熱により霜が溶融する。

【００４５】次に、第４実施形態について説明する。図
５は本実施形態の構成概略図である。この冷却装置本体
２４内には被冷却物収納室２０が設けられており、この
収納室２０を塞ぐために図示しないドアが設けられてい
る。尚、スターリング冷凍機９は第１実施形態の図２に
示すものと同様であり、図中配管１１ａなどの構成は省
略している。

【００４６】ここでは、スターリング冷凍機９の第２配
管１１ｂの一部が延長して冷却装置本体２４のドア枠の
パッキン部２５に配されている。上述したように、第２
配管１１ｂには放熱部６での熱が与えられた熱媒体が流
れていることから、パッキン部２５ではその熱によって
露が付かない。故に、新たな発熱体を構成することなく
露付き防止を行うことができ、省エネに貢献できる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１乃至請求
項３の冷却装置では、スターリング冷凍機の放熱部で発
生した熱を冷却側熱交換器に導くことで熱交換器に付着
している霜を溶融する構成となっている。故に、効率よ
く除霜が行われる。特に、請求項３の冷却装置では省エ
ネ性の高い除霜を行うことができる。

【００４８】また、請求項４の冷却装置では、パワーピ
ストンとディスプレーサの運動を制御することで冷却部
に熱を発生させ、その熱によって熱交換器に付着してい
る霜を溶融する構成となっている。故に、熱交換器に熱
を与えるための構成を必要としないことから、省エネと
コストダウンを達成したものとなる。

【００４９】また、請求項５の冷却装置では、スターリ
ング冷凍機で発生する熱によって装置本体のドアパッキ
ン部の露付きを防止する構成となっている。故に、効率
よく露付きを防止することができる。また、新たに発熱
体を設ける必要がないので省エネが達成されたものとな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の各実施形態に備えられるスターリング
冷凍機の断面構成図。

【図２】第１実施形態の冷却装置における冷却機構を示
した構成概略図。

【図３】第２実施形態の冷却装置における冷却機構を示
した構成概略図。

【図４】スターリング冷凍機の電源周波数に対する位相
角と冷凍機出力のグラフ。

【図５】第４実施形態の冷却装置の構成を示した概略
図。

【符号の説明】

１シリンダ２ピストン３ディスプレーサ６放熱部８冷却部９スターリング冷凍機１０冷却器１１ａ第１配管１１ｂ第２配管１２放熱器１３切替え弁１８ａ第１通風路１８ｂ第２通風路２０被冷却物収納室２１ダンパー２１′ ダンパー２５パッキン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】作動ガスを封入したシリンダ内でパワー
ピストン及びディスプレーサが往復運動することにより
冷熱を発生させるフリーピストン型スターリング冷凍機
を備え、該スターリング冷凍機で発生した冷熱により被
冷却物を冷却する冷却装置において、前記作動ガスの膨張により前記スターリング冷凍機の冷
却部で発生した冷熱を熱交換させる冷却側熱交換器に前
記作動ガスの圧縮により前記スターリング冷凍機の放熱
部で発生した熱を導く手段を設けたことを特徴とする冷
却装置。
【請求項２】前記冷却部と前記冷却側熱交換器との間
で液体の熱媒体が循環する第１循環経路、及び前記放熱
部と放熱側熱交換器との間で液体の熱媒体が循環する第
２循環経路が配されており、前記熱を導く手段として前
記スターリング冷凍機で冷熱が発生していないときに前
記第２循環経路を流れる熱媒体を前記第１循環経路に導
く手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷却
装置。
【請求項３】前記冷却部で発生した前記冷熱が冷却側
熱交換器を介して通風路内の空気と熱交換される第１通
風路、及び前記放熱部で発生した熱が前記放熱側熱交換
器を介して通風路内の空気と熱交換される第２通風路が
配されており、前記熱を導く手段として前記第１通風路
を閉塞する手段と閉塞された前記第１通風路内に前記第
２通風路内の空気を導く手段とを設けたことを特徴とす
る請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】作動ガスを封入したシリンダ内でパワー
ピストン及びディスプレーサが往復運動することにより
冷熱を発生させるフリーピストン型スターリング冷凍機
を備え、該スターリング冷凍機で発生した冷熱により被
冷却物を冷却する冷却装置において、前記パワーピストンと前記ディスプレーサが往復運動す
る周期の位相差がゼロになるように制御することを特徴
とする冷却装置。
【請求項５】前記冷却側熱交換器を介して冷熱と熱交
換された空気により冷却される被冷却物を収納するため
の被冷却物収納室が設けられており、該被冷却物収納室
のドアを取り付けるためのドア枠には前記第２循環経路
の一部が配されることを特徴とする請求項２に記載の冷
却装置。