JP2001074328A - 空調用スターリング冷凍機およびその組立て方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温側熱交換器３、再生熱交換器５およ
び低温側熱交換器４の間の断熱状態を極力完全にして高
効率の冷凍能力を有し、組立て作業が容易であるととも
に、各部品間の間隔を調整することが容易な空調用スタ
ーリング冷凍機およびその組立て方法を提供すること。 【解決手段】 高温側熱交換器３、再生熱交換器５およ
び低温側熱交換器４を熱交換器アセンブリ化すること、
アセンブリ化した交換器４６を圧縮膨張機２およびマニ
ホールド６、７に組み付けること、熱交換器アセンブリ
４６内において寸法調整を行うことに着目し、高温側熱
交換器３、低温側熱交換器４および再生熱交換器５を熱
交換器アセンブリ４６とし、熱交換器アセンブリ４６の
長さが圧縮膨張機２の全長と同じになるように高温側マ
ニホールド６および低温側マニホールド７を介して圧縮
膨張機２にこれを結合可能としたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は空調用スターリング
冷凍機およびその組立て方法にかかるもので、とくにス
ターリングサイクルを利用した冷凍機であって、車両に
搭載するために組立て作業を容易とするとともに、冷凍
効率を向上可能な空調用スターリング冷凍機およびその
組立て方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のスターリング冷凍機は、作動ガス
を圧縮膨張する圧縮膨張機と、放熱作用を行う高温側熱
交換器と、吸熱作用を行う低温側熱交換器と、これら高
温側熱交換器と低温側熱交換器との間に位置して熱的な
壁を構成する再生熱交換器と、圧縮膨張機と高温側熱交
換器および低温側熱交換器との間を接続するマニホール
ドと、を有する。このスターリング冷凍機において、冷
凍効率を上げるためには、とくに高温側熱交換器、再生
熱交換器および低温側熱交換器の間の断熱状態を極力完
全にする必要がある。

【０００３】しかしながら、従来のスターリング冷凍機
においては、こうした断熱構成を十分に実現することが
可能なものはないとともに、その組立て作業も面倒であ
るという問題がある。とくに車両用としてスターリング
冷凍機を空調装置に応用する場合には、その冷凍効率も
もちろんであるが、組立て時にかかるストレスに加えて
車載時の振動やストレスに対する配慮も必要となる。

【０００４】なおスターリング冷凍機としては、特開平
９−４９６６６号、および特開平９−５３８９１号など
がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
諸問題にかんがみなされたもので、高効率の冷凍能力を
有する空調用スターリング冷凍機およびその組立て方法
を提供することを課題とする。

【０００６】また本発明は、高温側熱交換器、再生熱交
換器および低温側熱交換器の間の断熱状態を極力完全に
するようにした空調用スターリング冷凍機およびその組
立て方法を提供することを課題とする。

【０００７】また本発明は、組立て作業が容易であると
ともに、各部品間の間隔を調整することが容易な空調用
スターリング冷凍機およびその組立て方法を提供するこ
とを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、高温
側熱交換器、再生熱交換器および低温側熱交換器を熱交
換器アセンブリ化すること、アセンブリ化した交換器を
圧縮膨張機およびマニホールドに組み付けること、熱交
換器アセンブリ内において寸法調整を行えるようにする
ことに着目したもので、第一の発明は、作動ガスを圧縮
膨張する圧縮膨張機と、放熱作用を行う高温側熱交換器
と、吸熱作用を行う低温側熱交換器と、これら高温側熱
交換器と低温側熱交換器との間に位置して熱的な壁を構
成する再生熱交換器と、上記圧縮膨張機と上記高温側熱
交換器との間を接続する高温側マニホールドと、上記圧
縮膨張機と上記低温側熱交換器との間を接続する低温側
マニホールドと、を有する空調用スターリング冷凍機で
あって、上記高温側熱交換器、上記低温側熱交換器およ
び上記再生熱交換器を熱交換器アセンブリとし、この熱
交換器アセンブリは、その長さが上記圧縮膨張機の全長
と同じになるように上記高温側マニホールドおよび上記
低温側マニホールドを介して上記圧縮膨張機にこれを結
合可能としたことを特徴とする空調用スターリング冷凍
機である。

【０００９】上記高温側熱交換器は、上記高温側マニホ
ールドに接続する高温側外フランジと、上記再生熱交換
器に対向する高温側内フランジと、を有し、上記低温側
熱交換器は、上記低温側マニホールドに接続する低温側
外フランジと、上記再生熱交換器に対向する低温側内フ
ランジと、を有し、この低温側内フランジおよび上記高
温側内フランジの間に上記再生熱交換器を配置すること
ができる。

【００１０】上記再生熱交換器は、上記低温側内フラン
ジおよび上記高温側内フランジとの間に介在させたナイ
ロンなど低熱伝導材料によるスリーブを有することがで
きる。

【００１１】上記低温側外フランジ、上記低温側熱交換
器、上記低温側内フランジ、上記再生熱交換器、上記高
温側内フランジ、上記高温側熱交換器および高温側外フ
ランジの合計長さを上記圧縮膨張機の全長に調整可能
な、好ましくはナイロンなど低熱伝導材料によるスペー
サーを、上記低温側内フランジおよび上記高温側内フラ
ンジの間に介在させることができる。

【００１２】上記低温側外フランジ、上記低温側内フラ
ンジ、上記高温側内フランジおよび上記高温側外フラン
ジを貫通して固定可能な通しボルトを設けることができ
る。

【００１３】第二の発明は、作動ガスを圧縮膨張する圧
縮膨張機と、放熱作用を行う高温側熱交換器と、吸熱作
用を行う低温側熱交換器と、これら高温側熱交換器と低
温側熱交換器との間に位置して熱的な壁を構成する再生
熱交換器と、上記圧縮膨張機と上記高温側熱交換器との
間を接続する高温側マニホールドと、上記圧縮膨張機と
上記低温側熱交換器との間を接続する低温側マニホール
ドと、を有する空調用スターリング冷凍機の組立て方法
であって、上記高温側熱交換器、上記低温側熱交換器お
よび上記再生熱交換器を互いに独立に製作する独立製作
工程と、これら独立に製作した高温側熱交換器、低温側
熱交換器および再生熱交換器を熱交換器アセンブリとす
るアセンブリ工程と、この熱交換器アセンブリを、その
長さが上記圧縮膨張機の全長と同じになるように上記高
温側マニホールドおよび上記低温側マニホールドを介し
て上記圧縮膨張機にこれを結合する結合工程と、を有す
ることを特徴とする空調用スターリング冷凍機の組立て
方法である。

【００１４】本発明による空調用スターリング冷凍機お
よびその組立て方法においては、圧縮膨張機およびマニ
ホールドとは別に、高温側熱交換器、再生熱交換器およ
び低温側熱交換器をそれぞれ独立に製作したのち熱交換
器アセンブリとしてアセンブリ化したので、圧縮膨張機
およびマニホールドとは別に熱交換器アセンブリを組み
立てたのち、圧縮膨張機およびマニホールドの間に組み
付けることができ、組立て作業性を向上させることがで
きる。

【００１５】さらに、再生熱交換器の両側に、高温側熱
交換器との間の高温側内フランジ、および低温側熱交換
器との間の低温側内フランジを設け、これら高温側内フ
ランジおよび低温側内フランジとの間に再生熱交換器を
配置するようにすれば、間に介在させるナイロンなど低
熱伝導材料によるスリーブにより、再生熱交換器と、高
温側熱交換器および低温側熱交換器との間の金属的な接
触を避ける構成を採用することができ、断熱状態を極力
完全にして冷凍効率を向上させることができる。

【００１６】また、再生熱交換器の両側の高温側内フラ
ンジおよび低温側内フランジの間にスペーサーを設ける
とともに、このスペーサーの長さを任意に選択可能とす
ることにより、低温側熱交換器、再生熱交換器および高
温側熱交換器を含む熱交換器アセンブリとしての全体の
長さを調整可能で、圧縮膨張機の全長に合わせることが
容易となり、この点からも組立て作業性を改善すること
ができる。なお、低温側外フランジ、低温側内フラン
ジ、高温側内フランジおよび高温側外フランジを貫通し
て固定可能な通しボルトを設けることにより熱交換器ア
センブリとしての取扱いに便利であるとともに、アルミ
ニウムなどの低強度材料で構成した低温側熱交換器およ
び高温側熱交換器に組立て時および使用時にかかる過度
のストレスを低減することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】つぎに本発明の実施の形態による
空調用スターリング冷凍機１をその組立て方法とともに
図１および図２にもとづき説明する。図１は、空調用ス
ターリング冷凍機１の組立て完了状態の断面図、図２
は、同、組立て方法を説明するための組立て途中の断面
図であって、空調用スターリング冷凍機１は、作動ガス
を圧縮膨張する圧縮膨張機２と、放熱作用を行う高温側
熱交換器３（放熱器）と、吸熱作用を行う低温側熱交換
器４（吸熱器）と、これら高温側熱交換器３と低温側熱
交換器４との間に位置して熱的な壁を構成する再生熱交
換器５（蓄熱器）と、圧縮膨張機２と高温側熱交換器２
および低温側熱交換器３との間をそれぞれ接続する高温
側マニホールド６（作動ガス管）および低温側マニホー
ルド７（作動ガス管）と、を有する。

【００１８】圧縮膨張機２は、ヘリウムなど作動ガスの
高温の圧縮空間８を構成する圧縮シリンダー９と、圧縮
ピストン１０と、作動ガスの低温の膨張空間１１を構成
する膨張シリンダー１２と、膨張ピストン１３と、膨張
シリンダー１２および膨張ピストン１３を駆動するクラ
ンクシャフト１４（駆動機構）と、を有するとともに、
クランクシャフト１４により圧縮ピストン１０および膨
張ピストン１３を所定の位相差（たとえば９０度）でそ
れぞれ往復駆動する。なお圧縮膨張機としては、図示の
例のような圧縮機構および膨張機構が直線上にならんだ
直線型以外にも、圧縮ピストン１０および膨張シリンダ
ー１２をＶ字型に配置したタイプ（図示せず）など任意
のものを採用可能である。

【００１９】高熱側熱交換器３は、高温側マニホールド
６との接続部分に高温側外フランジ１５を、再生熱交換
器５との対向部分に高温側内フランジ１６をそれぞれ有
するとともに、高温側マニホールド６内の高温側流路１
７に連通する放熱流路１８をその内部に形成してあり、
外表面に放熱フィン１９を有する。さらに、高温側取入
れ口２０から空気を取り入れ、高温側吹出し口２１から
放熱する。低温側熱交換器４は、低温側マニホールド７
との接続部分に低温側外フランジ２２を、再生熱交換器
５との対向部分に低温側内フランジ２３をそれぞれ有す
るとともに、低温側マニホールド７内の低温側流路２４
に連通する吸熱流路２５をその内部に形成してあり、外
表面に吸熱フィン２６を有する。さらに、低温側取入れ
口２７から空気を取り入れ、低温側吹出し口２８から放
熱する。なお高熱側熱交換器３および低温側熱交換器４
は、アルミニウムなど熱伝導率の良好な材料からこれを
構成する。また高温側外フランジ１５、高温側内フラン
ジ１６、低温側外フランジ２２および低温側内フランジ
２３は、低熱伝導率で、強度を有するステンレスなどの
材料からこれを構成する。

【００２０】再生熱交換器５は、高熱側熱交換器３の放
熱流路１８および低温側熱交換器４の吸熱流路２５に連
通する再生流路２９に配置した再生材３０（蓄熱材）を
一対のスリーブ３１および一対のスナップリング３２に
より固定してある。

【００２１】なおシール部材として、高温側マニホール
ド６、高温側外フランジ１５、高熱側熱交換器３、高温
側内フランジ１６、再生熱交換器５のスリーブ３１、低
温側内フランジ２３、低温側熱交換器４、低温側外フラ
ンジ２２および低温側マニホールド７のそれぞれの間に
は、Ｏリング３３、３４、３５、３６、３７、３８、３
９、４０を設け、また高温側マニホールド６および低温
側マニホールド７と圧縮膨張機２との間には、Ｏリング
４１、４２を設けてそれぞれの間をシールしてある。

【００２２】さらに、高温側内フランジ１６および低温
側内フランジ２３の間にスペーサー４３を介在させ、こ
のスペーサー４３とともに、高温側外フランジ１５、高
温側内フランジ１６、低温側内フランジ２３および低温
側外フランジ２２を通して一本の通しボルト４４を設
け、複数個のナット４５により一体に固定し、熱交換器
アセンブリ４６としてある。

【００２３】なおスリーブ３１の材質は、ナイロンその
他のエンジニアリングプラスチックのような高強度で、
低熱伝導率の材料とすることにより、再生熱交換器５の
両側（高熱側熱交換器３および低温側熱交換器４）にお
ける高温低温間の良好な断熱作用を有するプラスチック
材料を採用する。またスペーサー４３の材質は、スリー
ブ３１と同様にナイロンその他のエンジニアリングプラ
スチックのような高強度で、低熱伝導率の材料とする。

【００２４】こうした構成の空調用スターリング冷凍機
１を組み立てる手順について、以下説明する。まず、圧
縮膨張機２、高熱側熱交換器３、低温側熱交換器４およ
び再生熱交換器５をそれぞれ独立に製作する（独立製作
工程）。

【００２５】再生熱交換器５に、スリーブ３１、さらに
高温側内フランジ１６、スペーサー４３および低温側内
フランジ２３を取り付けるとともに、高熱側熱交換器
３、低温側熱交換器４、高温側外フランジ１５、低温側
外フランジ２２、および各Ｏリング３３、３４、３５、
３６、３７、３８、３９、４０を介在させ、さらに、通
しボルト４４および複数個のナット４５により熱交換器
アセンブリ４６とする（アセンブリ工程）。すなわち、
スペーサー４３とともに高温側外フランジ１５、高温側
内フランジ１６、低温側外フランジ２２および低温側内
フランジ２３の周囲に通しボルト４４を貫通し、ナット
４５を用いて、始めに高温側内フランジ１６および低温
側内フランジ２３どおしを締結して再生熱交換器５を固
定し、つぎに高温側外フランジ１５および低温側外フラ
ンジ２２の両側を締結することにより、高熱側熱交換器
３および低温側熱交換器４にストレスがかからないよう
にすることができる。かくして、熱交換器アセンブリ４
６としてシール状態のまま高熱側熱交換器３、低温側熱
交換器４および再生熱交換器５の間の金属的な接触を極
力回避すある。

【００２６】なお、スペーサー４３の長さを選択調整す
ることにより、熱交換器アセンブリ４６としての長さを
左右一対の高温側マニホールド６および低温側マニホー
ルド７の間の間隔に調整して、組立て後の全長が所定寸
法（圧縮膨張機２の全長）と同一になるようにする。

【００２７】ついで、高温側マニホールド６および低温
側マニホールド７を熱交換器アセンブリ４６の両側に位
置するように配置して、Ｏリング４１、４２を取り付け
た圧縮膨張機２と熱交換器アセンブリ４６とを高温側マ
ニホールド６および低温側マニホールド７を介して結合
し、空調用スターリング冷凍機１として一体化する（結
合工程）。

【００２８】かくして、高熱側熱交換器３、低温側熱交
換器４および再生熱交換器５の間における金属的な接触
部分としては、高温側外フランジ１５、高温側内フラン
ジ１６、低温側外フランジ２２および低温側内フランジ
２３部分における通しボルト４４部分のみであり、高熱
側熱交換器３および低温側熱交換器４の間の熱伝導損失
が小さくなり、空調用スターリング冷凍機１全体として
の冷凍効率を向上させることができる。また、それぞれ
独自に製作した高熱側熱交換器３、低温側熱交換器４お
よび再生熱交換器５を簡単に熱交換器アセンブリ４６と
して組み立てることができ、さらに圧縮膨張機２との組
立て作業時にも、スペーサー４３の採用により寸法合わ
せが容易であり、かつ高熱側熱交換器３、低温側熱交換
器４および再生熱交換器５部分に不均一なストレスがか
かることを避けることができる。さらに、高温側外フラ
ンジ１５、高温側内フランジ１６、低温側外フランジ２
２および低温側内フランジ２３部分の締結構造として、
通しボルト４４および各要所を締結するナット４５を採
用し、それぞれの部分を独立して緊締することができる
ので、アルミニウムなど低強度の材料で構成した高熱側
熱交換器３および低温側熱交換器４に組立て時および使
用時にかかる過度のストレスを回避することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、高熱側熱
交換器、低温側熱交換器および再生熱交換器を熱交換器
アセンブリとして構成するようにしたので、組立て作業
を容易とすることができる。さらに再生熱交換器の高温
側内フランジおよび低温側内フランジの間にスペーサー
を介在させることによって、圧縮膨張機との寸法合わせ
が容易になり、過度のストレスを回避するとともにこの
点からも組立て性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による空調用スターリング
冷凍機１の組立て完了状態の断面図である。

【図２】同、組立て方法を説明するための組立て途中の
断面図である。

【符号の説明】

１ 空調用スターリング冷凍機（実施の形態、図１） ２ 圧縮膨張機 ３ 高熱側熱交換器（放熱器） ４ 低温側熱交換器（吸熱器） ５ 再生熱交換器（蓄熱器） ６ 高温側マニホールド（作動ガス管） ７ 低温側マニホールド（作動ガス管） ８ 高温の圧縮空間 ９ 圧縮シリンダー １０ 圧縮ピストン １１ 低温の膨張空間 １２ 膨張シリンダー １３ 膨張ピストン １４ クランクシャフト（駆動機構） １５ 高温側外フランジ １６ 高温側内フランジ １７ 高温側流路 １８ 放熱流路 １９ 放熱フィン ２０ 高温側取入れ口 ２１ 高温側吹出し口 ２２ 低温側外フランジ ２３ 低温側内フランジ ２４ 低温側流路 ２５ 吸熱流路 ２６ 吸熱フィン ２７ 低温側取入れ口 ２８ 低温側吹出し口 ２９ 再生流路 ３０ 再生材（蓄熱材） ３１ スリーブ ３２ スナップリング ３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４
１、４２ Ｏリング ４３ スペーサー ４４ 通しボルト ４５ 複数個のナット ４６ 熱交換器アセンブリ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動ガスを圧縮膨張する圧縮膨張機
   と、 放熱作用を行う高温側熱交換器と、 吸熱作用を行う低温側熱交換器と、 これら高温側熱交換器と低温側熱交換器との間に位置し
   て熱的な壁を構成する再生熱交換器と、 前記圧縮膨張機と前記高温側熱交換器との間を接続する
   高温側マニホールドと、 前記圧縮膨張機と前記低温側熱交換器との間を接続する
   低温側マニホールドと、を有する空調用スターリング冷
   凍機であって、 前記高温側熱交換器、前記低温側熱交換器および前記再
   生熱交換器を熱交換器アセンブリとし、 この熱交換器アセンブリは、その長さが前記圧縮膨張機
   の全長と同じになるように前記高温側マニホールドおよ
   び前記低温側マニホールドを介して前記圧縮膨張機にこ
   れを結合可能としたことを特徴とする空調用スターリン
   グ冷凍機。
2. 【請求項２】 前記高温側熱交換器は、前記高温側マ
   ニホールドに接続する高温側外フランジと、前記再生熱
   交換器に対向する高温側内フランジと、を有し、 前記低温側熱交換器は、前記低温側マニホールドに接続
   する低温側外フランジと、前記再生熱交換器に対向する
   低温側内フランジと、を有し、 この低温側内フランジおよび前記高温側内フランジの間
   に前記再生熱交換器を配置したことを特徴とする請求項
   １記載の空調用スターリング冷凍機。
3. 【請求項３】 前記再生熱交換器は、前記低温側内フ
   ランジおよび前記高温側内フランジとの間に介在させた
   低熱伝導材料によるスリーブを有することを特徴とする
   請求項２記載の空調用スターリング冷凍機。
4. 【請求項４】 前記低温側外フランジ、前記低温側熱
   交換器、前記低温側内フランジ、前記再生熱交換器、前
   記高温側内フランジ、前記高温側熱交換器および高温側
   外フランジの合計長さを前記圧縮膨張機の全長に調整可
   能なスペーサーを、前記低温側内フランジおよび前記高
   温側内フランジの間に介在させたことを特徴とする請求
   項２記載の空調用スターリング冷凍機。
5. 【請求項５】 前記低温側外フランジ、前記低温側内
   フランジ、前記高温側内フランジおよび前記高温側外フ
   ランジを貫通して固定可能な通しボルトを設けたことを
   特徴とする請求項２記載の空調用スターリング冷凍機。
6. 【請求項６】 作動ガスを圧縮膨張する圧縮膨張機
   と、 放熱作用を行う高温側熱交換器と、 吸熱作用を行う低温側熱交換器と、 これら高温側熱交換器と低温側熱交換器との間に位置し
   て熱的な壁を構成する再生熱交換器と、 前記圧縮膨張機と前記高温側熱交換器との間を接続する
   高温側マニホールドと、 前記圧縮膨張機と前記低温側熱交換器との間を接続する
   低温側マニホールドと、を有する空調用スターリング冷
   凍機の組立て方法であって、 前記高温側熱交換器、前記低温側熱交換器および前記再
   生熱交換器を互いに独立に製作する独立製作工程と、 これら独立に製作した高温側熱交換器、低温側熱交換器
   および再生熱交換器を熱交換器アセンブリとするアセン
   ブリ工程と、 この熱交換器アセンブリを、その長さが前記圧縮膨張機
   の全長と同じになるように前記高温側マニホールドおよ
   び前記低温側マニホールドを介して前記圧縮膨張機にこ
   れを結合する結合工程と、 を有することを特徴とする空調用スターリング冷凍機の
   組立て方法。