JP2002061974A - スターリング冷凍システム及び冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウォームセクションからの放熱を促進させて
冷却効率の向上を図ったコンパクトなスターリング冷凍
システムを提供する。 【解決手段】 作動媒体が封入されたシリンダ９ａ内を
所定の位相差で往復動するピストン２及びディスプレー
サ１と、前記シリンダ９ａ内に形成された膨張空間７内
における前記ディスプレーサ１の往復動に伴う前記作動
媒体の膨張により外部から吸熱して冷熱を生ずるコール
ドセクション４と、前記シリンダ９ａ内に形成された圧
縮空間８内における前記ピストン２の往復動に伴う前記
作動媒体の圧縮により外部に放熱するウォームセクショ
ン１０とを有するスターリング冷凍機９と、該スターリ
ング冷凍機９の軸線を中心として円筒状に形成された放
熱用熱交換器１１と、前記ウォームセクション１０と前
記放熱用熱交換器１１とを配管１４にて接続してなる閉
回路と、該閉回路内で冷媒１６を循環させる循環ポンプ
１５とを備えたことを特徴とするスターリング冷凍シス
テム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スターリング冷凍
機を備えた冷凍システム及びそれを用いる冷蔵庫等の冷
却装置に関するものである。

【０００２】一般に、家庭用冷蔵庫等の冷凍サイクル装
置では、冷媒にフロンを用いた蒸気圧縮式の冷凍サイク
ルが採用されている。このフロン冷媒は、オゾン破壊係
数が大きく、環境問題の点で世界的に使用が規制される
趨勢にあることは周知の通りである。

【０００３】近年、蒸気圧縮式の冷凍サイクルに代わる
新しい冷凍技術として、逆スターリングサイクルを利用
したスターリング冷凍機の研究が進められている。この
スターリング冷凍機は、作動媒体にヘリウム等の不活性
ガスを使用しているため、地球環境に悪い影響を及ぼす
ことなく、効率よく極低温を得ることができる。

【０００４】逆スターリングサイクルは、リニアモータ
等の外部動力でピストンを運動させることにより、同一
のシリンダ内でピストンと所定の位相差を維持して反復
運動されるディスプレーサと共に作動媒体を圧縮・膨張
させ、それを繰り返すことにより放熱・吸熱を行う密閉
サイクルである。

【０００５】

【従来の技術】このスターリング冷凍機は、コールドセ
クションと呼ばれる低温部から得られる冷熱を効率よく
搬送する手段が必要であるとともに、スターリング冷凍
機の冷凍能力が高くなればなる程、放熱部のウォームセ
クションにて発生する熱量も増大するため、その熱量を
効率よく放熱させてやらなければ、結果として、スター
リング冷凍機の能力が低下し、コールドセクションで得
られる冷熱量も減少する。

【０００６】例えば、特開平７−１８０９２１号公報に
開示されているスターリング冷蔵庫は、図２０に示すよ
うに、冷蔵庫本体１００の庫内の上部奥方に庫内を冷却
する冷却器１０１を配し、本体下部の機械室内にスター
リング冷凍機１０２を配設している。そのスターリング
冷凍機１０２のコールドセクション１０３と、冷却器１
０１を配管１０４にて接続し、該配管１０４内に充填さ
せた作動媒体を循環させ、この作動媒体を介してスター
リング冷凍機１０２の駆動によりコールドセクション１
０３から発生させた冷熱を庫内の冷却器１０１に伝達さ
せている。

【０００７】そして、冷却器１０１に搬送された冷熱と
庫内の空気とを冷却器１０１の表面において熱交換させ
て得られる冷気をファン１０５により庫内に送出して、
庫内を所定の温度に冷却する。一方、スターリング冷凍
機１０２のウォームセクション１０６には、放熱用フィ
ン１０７を配設して送風ファン１０８にて通風し、ウォ
ームセクション１０６から放熱を促進する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、家庭用
又は業務用として需要が見込まれるスターリング冷凍機
は、数百ワットレベルの冷凍能力を必要とするが、上記
の従来の構成ではそのレベルの冷凍能力を実現しようと
すると、放熱フィン１０７の表面積も相当に大きくなる
ことが考えられ、更に送風ファン１０８の冷却風量も増
大させなけばならない。

【０００９】従って、冷凍システム全体が大型化し、こ
れまでの上記圧縮式の冷蔵庫と同程度又はそれ以上の機
械室の容積を確保せねばならず、庫内容積の縮小を余儀
なくされるとともに、ファンの消費電力が増大によって
システム全体の効率が悪化して省エネに不利であるとい
う問題があった。

【００１０】本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなさ
れたものであり、ウォームセクションからの放熱を促進
させて冷却効率の向上を図ったコンパクトなスターリン
グ冷凍システムを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明によるスターリング冷凍システムは、作動媒体が
封入されたシリンダ内を所定の位相差で往復動するピス
トン及びディスプレーサと、前記シリンダ内に形成され
た膨張空間内における前記ディスプレーサの往復動に伴
う前記作動媒体の膨張により外部から吸熱して冷熱を生
ずる吸熱部と、前記シリンダ内に形成された圧縮空間内
における前記ピストンの往復動に伴う前記作動媒体の圧
縮により外部に放熱する放熱部とを有するスターリング
冷凍機と、該スターリング冷凍機の軸線と平行に筒状に
形成された放熱用熱交換器と、前記放熱部と前記放熱用
熱交換器とを接続手段にて接続してなる閉回路と、該閉
回路内で冷媒を循環させる搬送手段とを備えたことを特
徴とする。

【００１２】この構成によると、スターリング冷凍機の
駆動によりウォームセクションで発生する熱は、搬送手
段により閉回路内を循環する冷媒によって放熱用熱交換
器に搬送され、この放熱用熱交換器を介して外部に放熱
させる。

【００１３】この場合、前記放熱用熱交換器は、前記軸
線に沿う方向に隣接して併設され前記接続手段の接続口
を有する一対のヘッダー管と、該ヘッダー管の一方から
他方へ連通接続されるとともに前記軸線を中心としてリ
ング状に所定の幅で並設される複数の凝縮管と、前記複
数の凝縮管の間に狭着されるフィンとからなるものとす
ることで、放熱用熱交換器に移動した冷媒は、凝縮管内
を流れながら熱をフィンに受け渡し、該フィンの表面か
ら効率よく放熱される。

【００１４】そして、前記軸線と直交する放射方向の前
記フィンの幅を、前記凝縮管の所定の幅と略等しくする
ことで、放熱に寄与するフィンの表面積を広くとること
ができる。

【００１５】また、本発明によるスターリング冷凍シス
テムは、前記搬送手段は、前記ピストンに前記軸線に沿
って一端が固定されるロッドと、スターリング冷凍機の
前記シリンダと反対側に前記軸線に沿って突設されると
ともに前記ピストンに一端が固定されるロッドが摺動可
能な円筒状のロッド摺動部と、該ロッド摺動部の先端部
分に配され前記閉回路の一部をなす円筒状の箱体と、前
記ロッドの他端に設けた第１マグネットと、前記ロッド
摺動部が挿入されるとともに前記ロッド摺動部の外径と
略等しい内径で、かつ、前記箱体の内径と略等しい外径
に選ばれたドーナツ状部材と、該ドーナツ状部材に固定
され前記第１のマグネットの往復動と連動して前記箱体
内で往復動する円筒状の第２のマグネットと、第２のマ
グネットの往復動の周期を前記ロッドの往復動の周期に
合致させるスプリングとからなることを特徴とする。

【００１６】この構成によると、ピストンの往復動と共
にロッドの先端の第１のマグネットも往復動し、互いに
引き合う磁力によって第２のマグネットがロッド摺動部
の外周に沿って往復動することで、ドーナツ状部材が箱
体内に流入する冷媒を押し出す役目を果たす。従って、
搬送手段として、外部動力を必要する循環ポンプ等を用
いなくてよくなり、その分、省エネが図られる。

【００１７】また、本発明によるスターリング冷凍シス
テムは、放熱用熱交換器の内周面とスターリング冷凍機
の外周面との間に円筒状の隙間が形成されるようにこれ
らをユニット化し、該ユニットの一端に前記軸線を中心
に回転する送風ファンを設け、該送風ファンにより前記
隙間に向けて送風するようにしたことを特徴とする。

【００１８】これによると、送風ファンからの送風によ
って放熱用熱交換器のフィン表面からの放熱が促進され
る。

【００１９】この場合、前記フィンの幅を、風下方向に
所定の長さだけ長くすることで、放熱に寄与するフィン
の表面積を風下側に広くでき、空冷によるフィンからの
放熱を更に促進できる。

【００２０】また、本発明によるスターリング冷凍シス
テムは、前記一対のヘッダー管の一方の両端に設けた前
記接続手段の接続口と、このヘッダー管の内部を長手方
向で仕切る仕切板とにより、前記接続口の一方から他方
へと連通する冷媒経路を形成したことを特徴とする。

【００２１】これによると、ヘッダー管の一方から他方
へ往復する冷媒の流れを複数の凝縮管で略均一にするこ
とができる。また、その往復回数を仕切板の数によって
決定できる。

【００２２】そして、前記放熱部と前記接続手段との間
の上記接続を、前記放熱部に周設され内部にリング状の
冷媒経路を有するジャケットを介して行うことにより、
ウォームセクションで生ずる圧縮熱の冷媒による搬送を
効率良く行える。

【００２３】また、本発明による冷却装置は、上記のス
ターリング冷凍システムを本体下部の機械室の内部に配
設し、前記スターリング冷凍機の駆動により前記吸熱部
で生じた冷熱を用いて断熱材で囲まれた本体内部を冷却
するようにしたことを特徴とする。

【００２４】これによると、冷凍能力の高いスターリン
グ冷凍システムをコンパクトに機械室内に配設してなる
冷蔵庫等の冷却装置の実現が可能となる。

【００２５】

【発明の実施の形態】＜第１の実施形態＞本発明の第１
の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、
本発明に係るフリーピストン型スターリング冷凍機の断
面図であり、まずこの冷凍機の動作原理について説明す
る。

【００２６】ピストン２はリニアモータ６により駆動さ
れ、共振用バネ５により正弦運動する。ピストン２の往
復動に伴い圧縮空間８内の作動ガスは正弦的な圧力変動
を示す。この作動ガスの圧力変動は、シリンダ９ａ内の
ディスプレーサ１を軸方向に運動させる力に変換され、
ディスプレーサ１が共振用バネ５’によりピストン２と
所定の位相差（例えば９０°）を維持しながら正弦運動
する。

【００２７】圧縮空間８で圧縮された作動ガスは、ウォ
ームセクション（放熱部）１０にて圧縮熱を放出し、デ
ィスプレーサ１内にある再生器３で予冷され膨張空間７
内に流入する。一方、膨張空間７内の作動ガスは、ディ
スプレーサ１の動きより膨張してスターリング冷凍機本
体９の先端に配されたコールドセクション（吸熱部）４
を介して外部から吸熱するため、このコールドセクショ
ン４において極低温の冷熱が得られる。

【００２８】次に、本実施形態に係るスターリング冷凍
システムの概略的な構成を図２に示す。図２は、一例と
して、コールドセクション４が左側になるよう横臥方向
にスターリング冷凍機本体９が配された場合を示してお
り、スターリング冷凍機本体９の右側の端部からウオー
ムセクション１０の右横にかけての部分には、円筒状に
形成された放熱用熱交換器１１が配設されている。尚、
この図においては、放熱用熱交換器１１の構成を分かり
やすくするためスターリング冷凍機本体９の軸線より上
方にある部分については、軸方向に半分に切断して示し
ている。

【００２９】ウォームセクション１０には該ウォームセ
クション１０から放出される熱を伝達するリング状のジ
ャケット１２が嵌着されている。該ジャケット１２は、
リング状にて内部に空間を有する形状であり、図３に示
すように、コの字状のリング１２ａと該リング１２ａの
開放側を密閉する平板１２ｂとから構成される。

【００３０】リング１２ａの中心を通って互いに対向す
る２カ所には、配管１４の接続口１３，１３が設けられ
ており、一方の接続口１３は循環ポンプ１５を介して後
述する一対のヘッダー管１９，１９のうちの一方のヘッ
ダー管１９の接続口１３に配管１４で接続されている。

【００３１】そして、リング１２ａの他方の接続口１３
は配管１４にて他方のヘッダー管１９の接続口１３に接
続されることで完全な閉回路を形成している。この閉回
路内には冷媒１６としてエチルアルコール等の流体が封
入されており、循環ポンプ１５の駆動により、冷媒１６
が矢印の方向に閉回路内で循環されるようになってい
る。

【００３２】放熱用熱交換器１１は、図４に示すよう
に、隣接して併設され前記配管１４の接続口１３を有す
る一対のヘッダー管１９，１９と、該ヘッダー管１９，
１９の一方から他方へ連通接続されるとともに前記軸線
を中心としてリング状に所定の幅で並設される複数の凝
縮管１７，１７，１７・・・と、前記複数の凝縮管１
７，１７，１７・・・の間に狭着されるフィン１８，１
８，１８・・・とから構成される。

【００３３】環状形状の放熱熱交換器１１の作製手順と
しては、ヘッダー管１９，１９の切り込み部分に複数の
凝縮管１７，１７，１７・・・を差し込んだ後、治具に
固定し一定寸法を保つようにする。その後、凝縮管１７
と凝縮管１７との間にフィン１８を挟み込み、治具上で
放熱用熱交換器１１の形状が形成される。

【００３４】その治具に組み込んだ状態で、約６２０℃
程度に設定された炉内に運び込み、各部品の嵌合部や密
着部の一部を溶融させて固定する。その後、炉内より運
び出し冷却した熱交換器１１を、治具に沿わせながら湾
曲させていき、ヘッダー管１９を含めて３６０℃のリン
グ形状を形成する。そして、ヘッダー管１９，１９の一
端に接続口１３，１３を設ける。

【００３５】このように放熱用熱交換器１１をリング形
状に形成することにより、ヘッダー管１９，１９同士が
近接又は密接した状態となるが、ヘッダー管１９，１９
の間に、樹脂等の熱伝導性の低い材料からなるスペーサ
２０を挟持させることにより、放熱用熱交換器１１の作
製の全工程が終了する。

【００３６】スペーサ２０の役割の一つは、治具に沿わ
せて湾曲することでリング状に形成した放熱用熱交換器
１１が、湾曲させる前の形に戻ろうとする復元力を抑え
てリング状を維持させるためヘッダー管１９，１９を保
持することである。もう一つは、ヘッダー管１９は冷媒
の入口又は出口として機能するため、ヘッダー管１９，
１９同士が密着していた場合、ヘッダー管１９，１９間
で熱交換が起こり、放熱効果が低減してしまうので、樹
脂等の熱伝導性の低い材料からなるスペーサ２０を介在
させることで、ヘッダー管１９、１９同士での熱交換を
防止するという役割を果たしている。

【００３７】そして、冷蔵庫の機械室等の底面に固定す
るための取り付け脚としての役割もある。また、ヘッダ
ー管１９自体は、フィン１８と直接接触していないた
め、熱交換にあまり寄与しないデッドスペースとなる
が、この部分が下方に位置するように放熱用熱交換器１
１を配設することで、有効に熱交換が行われるフィン１
８を広い空間に向かわせることができるため、熱交換効
率の向上が図られる。

【００３８】凝縮管１７の断面構造を図５に示すと、凝
縮管１７は扁平多孔管にて形成されており、その内部に
は三角トラス状の補強リブが形成されている。該凝縮管
１７はアルミニウムの押し出し成形により容易に作製で
きる。図中のＷは凝縮管１７の幅を示し、Ｔはその厚み
を示している。

【００３９】凝縮管１７と凝縮管１７との間に狭着され
たフィン１８は、図６に示すように、薄いアルミニウム
箔を一定間隔で屈曲してコルゲート状に蛇行させること
により形成され、凝縮管１７に対して平行に配設された
ものである。

【００４０】スターリング冷凍機の駆動によりウォーム
セクション１０にて発生する圧縮熱は、ジャケット１２
を介して冷媒１６に伝達され、更に冷媒１６の循環によ
って放熱用熱交換器１１に導かれ、放熱用熱交換器１１
を介して外部に放熱される。

【００４１】尚、本実施形態におけるジャケット１２の
構成は、コの字形状のリング１２ａと平板１２ｂを組み
合わせたものであったが、扁平形状に形成した管をウォ
ームセクション１０に密着させて巻き付ける構成であっ
てもよい。

【００４２】＜第２の実施形態＞本発明の第２の実施形
態について図面を参照して説明する。図７は、本実施形
態に係るスターリング冷凍システムの概略的な構成を示
す外観図である。また、図８は本実施形態に係るスター
リング冷凍システムの一部省略断面図である。これらの
図において、図２に示す上記第１の実施形態と共通の部
材には同一の符号を附し、その詳細な説明を省略する。

【００４３】本実施形態に特徴的な構成を図７及び図８
を参照して説明する。スターリング冷凍機の右側の端
部、即ちコールドセクション４の反対側には円筒状のロ
ッド摺動部９ｂが配され、その内部の空間にピストン２
に一端が固定されたロッド２２が挿入されており、該ロ
ッド２２の他端には第１マグネット２３ａが装着されて
いる。

【００４４】ロッド摺動部９ｂの先端側には、円筒形状
をした箱体２４が取り付けられている。この箱体２４の
内部にはロッド摺動部９ｂの外周に沿って摺動可能な第
２マグネット２３ｂと、共振用バネ５’’が配されてお
り、外周面の上方及び右側の端面には接続口１３，１３
が設けられている。

【００４５】そして、その接続口１３の一方はジャケッ
ト１２に接続され、他方は放熱用熱交換器１１に接続さ
れて、図７のような閉回路が形成されている。共振用バ
ネ５’’には第２マグネットのロッド摺動部９ｂが挿通
されており、この共振用バネ５’’を介して箱体２４と
第２マグネット２３ｂとが接続されている。２１は第２
マグネット２３ｂに固定され、ロッド摺動部９ａの外周
に沿って摺動自在なドーナツ状部材であり、その外径は
箱体２４の断面の内径と略等しい寸法に選ばれている。

【００４６】リニアモータ６の駆動によりピストン２が
往復動することで、ロッド２２が先端の第１マグネット
２３ａと共にピストン２と同周期にて往復動する。それ
に伴い箱体２４内の第２マグネット２３ｂも往復動を開
始する。図８を参照して詳細に説明すると、ロッド２２
先端の第１マグネット２３ａが右方向に動くと、互いに
引き合う磁力により箱体２４内の第２マグネット２３ｂ
も右方向に移動する。その後、ピストン２の振幅により
ロッド２２先端の第１マグネット２３ａが左方向に移動
することにより、箱体２４内の第２マグネット２３ｂも
左方向に移動する。

【００４７】共振用バネ５’’は、第２マグネット２３
ｂが第１マグネット２３ａの振幅以上に振れないように
コントロールするものである。これにより、第２マグネ
ット２３ｂと共にドーナツ状部材２１が左右方向に往復
動し、図８の矢印で示すように、弁機構によって箱体２
４内に流入した冷媒１６が押し出されて閉回路内で循環
するようになっている。

【００４８】リニアモータ６は、一般に商用周波数（５
０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）にて駆動されている。従って、ピ
ストン２はその商用周波数で往復動するため、箱体２４
内のドーナツ状部材２１も同じ周波数で振幅することと
なり、充分な冷媒１６の搬送能力が得られる。尚、スタ
ーリング冷凍機がクランク式の場合、ピストン及びディ
スプレーサを駆動するモータの回転運動を利用し、箱体
内に設けたインペラーを回転させることにより、同様の
機能を持たすことができる。

【００４９】＜第３の実施形態＞本発明の第３の実施形
態について図面を参照して説明する。図９は本実施形態
に係るスターリング冷凍システムの概略的な構成を示す
外観図である。この図において、図２に示す上記第１の
実施形態と共通の部材には同一の符号を附し、その詳細
な説明を省略する。

【００５０】本実施形態に特徴的な構成を図９を参照し
て説明する。放熱用熱交換器１１の右側の端部、即ちス
ターリング冷凍機本体９の反対側にはスターリング冷凍
機の軸線を中心に回転する送風ファン２５が配され、一
方の左側の端部には遮蔽板２６が取り付けられている。
遮蔽板２６は、送風ファン２５の回転により発生する空
気２７が放熱用熱交換器１１を通過してウォームセクシ
ョン１０側に漏れないように遮断している。

【００５１】送風ファン２５の回転により起風された空
気２７の流れは、放熱用熱交換器１１の内側をスターリ
ング冷凍機本体９に沿って流れ、遮蔽板２６に反射さ
れ、放熱用熱交換器１１のフィン１８間を抜けて外部に
放出される。これにより、放熱用熱交換器１１からの放
熱が促進される。尚、放熱用熱交換器１１による熱交換
能力は、図１０に示すように、送風ファン２５の風量を
変化させることでコントロールできる。

【００５２】スターリング冷凍機は、上述したようにピ
ストン２をリニアモータ６にて駆動し、コールドセクシ
ョン４により低温を得る構成であることから、リニアモ
ータ６に印加する電圧を変化させることで、ピストン２
の往復動の振幅を変化させることができる。

【００５３】リニアモータ６に印加する電圧を時間と共
に上昇させると、それに応じてピストン２の振幅が増加
し、限られた圧縮空間８内で圧縮される作動ガスの圧力
は順次上昇する。それに伴い、膨張空間７内でディスプ
レーサ１により作動ガスが膨張して、コールドセクショ
ン４を介して吸熱される熱量も増大するので、いっそう
低温の冷熱が得られることとなる。

【００５４】一方、圧縮空間８内の作動ガスの圧力が上
昇することで、ウォームセクション１０にて発生する圧
縮熱も増大する。従って、その増大した圧縮熱を効率よ
く放熱させなければ、スターリング冷凍機の冷却能力は
低下し、コールドセクション４の温度が上昇するという
問題が生ずる。

【００５５】そこで、本実施形態では、スターリング冷
凍機が極めて低出力で運転されているときは、送風ファ
ン２５を回転させないで、循環ポンプ１５を駆動してウ
ォームセクション１０の熱量を放熱用熱交換器１１に搬
送して放熱させる。スターリング冷凍機の出力が上がる
に従い、送風ファン２５に入力を加えて放熱用熱交換器
１１における放熱量を増大させる。

【００５６】上記のようにスターリング冷凍機の能力
は、リニアモータ６に印加する電圧をリニアに上昇させ
ることができるから、その能力に応じた風量を得るべく
送風ファン２５への入力を制御すればよい。そして、リ
ニアモータ６への入力を上げれば、送風ファン２５への
入力を上昇させ、逆にリニアモータ６への入力を下げれ
ば、送風ファン２への入力を下げるように制御を行う。

【００５７】更に、スターリング冷凍機の最大能力出力
時においては、循環ポンプ１５への入力を上げて冷媒の
循環量を増大させるとともに、送風ファン２５への入力
も上げてフィン１８間の風速も増大させ、ウォームセク
ション１０において発生する圧縮熱の放熱を促進させ
る。

【００５８】尚、本実施形態においては、送風ファン２
５の起動により起風された空気２７は、放熱用熱交換器
１１の内側を冷凍機本体９に沿って流れ、放熱用熱交換
器１１のフィン１８間を抜けて外部に放出させる場合に
ついて説明したが、逆向きの流れ、つまり放熱用熱交換
器１１の周囲から吸い込み、放熱用熱交換器１１の内側
を冷凍機本体９に沿って流れ、送風ファン２５の後方に
排気する方式でも同様の効果が得られる。

【００５９】＜第４の実施形態＞本発明の第４の実施形
態について図面を参照して説明する。図１１は、本実施
形態に係るスターリング冷凍システムの要部側面図であ
る。本実施形態に特徴的な構成は、図１１に示すよう
に、ウォームヘッド１０の周囲に嵌着されたジャケット
１２内に、フィン１８’が配されている。このフィン１
８’は、上述した放熱用熱交換器１１のフィン１８と同
様に、薄い銅箔をギアにて一定間隔で蛇行させることに
より形成されている。

【００６０】このフィン１８’は、ジャケット１２の内
部のリング状の空間の内側表面と外側表面に屈曲させた
端部が当接するように、前記空間の全周囲にわたって溶
着されている。従って、ジャケット１２の内部を流通す
る冷媒１６とのフィン１８’との接触面積が広く確保さ
れる。そして、このフィン１８’を冷媒の流通経路の上
流側と下流側で挟み込むように接続口１３，１３が配設
されている。

【００６１】次に、冷媒の流れを図１１に基づいて説明
する。循環ポンプ１５（図２）の駆動により、ジャケッ
ト１２の下側に配設された接続口１３から冷媒１６がジ
ャケット１２内に流入してくる。ジャケット１２内のフ
ィン１８’の圧損により、冷媒１６はフィン１８’の右
側全周に満たされた後、フィン１８’とフィン１８’と
の間を抜け、フィン１８’の左側へ移動する。その後、
ジャケット１２の上側に配されたもう一方の接続口１３
より、放熱用熱交換器１１（図２）へと冷媒１６は送り
出される。これにより、圧縮熱を有効に冷媒１６に伝え
ることができ、熱交換効率が向上する。

【００６２】＜第５の実施形態＞本発明の第５の実施形
態について図面を参照して説明する。本実施形態は、上
記第３の実施形態の変形である。放熱用熱交換器１１に
おいて、熱交換効率を向上させる方法としては、まずフ
ィン１８のピッチを狭めて熱交換に寄与する表面積をか
せぐことが考えられる。冷蔵庫等の冷却装置では、通常
スターリング冷凍機、コンプレッサ等の冷凍機の機械部
品は本体下部の機械室内に配置される。この機械室内は
放熱のために外部の風の流れが生じるように形成されて
いる。

【００６３】そのため、フィン１８のピッチを狭めた放
熱用熱交換器１１では、塵埃が侵入しやすくなり、塵埃
がフィン１８間に詰まり、かえって熱交換効率が低下す
る問題が懸念される。本実施形態はこの問題に鑑み、フ
ィン１８のピッチをあまり縮小せずに熱交換能力を向上
を図ったものである。

【００６４】本実施形態に特徴的な構成を図１２及び図
１３を参照して説明すると、放熱用熱交換器１１に示す
ように、放熱用熱交換器１１の凝縮管１７間に狭着され
たフィン１８は、凝縮管１７の周縁部よりｄだけ外側に
延長され、凝縮管１７の幅Ｗにｄを加えたＷ＋ｄの長さ
としている。

【００６５】このとき、熱交換流体である空気２７は、
図１３に示すように、放熱用熱交換器１１の内周側Ａか
ら外周側Ｂへフィン１８間を通って放出されるようにな
っている。フィン１８は空気２７の入口部１８ａと出口
部１８ｂでの温度分布が異なるので、温度の比較的低い
入口部１８ａよりも空気２７とフィン１８との温度差が
大きい出口部１８ｂの方が熱交換に寄与する割合が高く
なるものである。

【００６６】フィン１８の幅と冷凍能力の関係を図１４
に示すと、フィン１８の幅Ｗ（イ）、Ｗ＋ｄ（ロ），
（ハ）のいずれの場合でも送風ファン２５の風量が上昇
すると、概ね冷凍能力も向上する傾向にある。本実施形
態のように、フィン１８の幅をＷ＋ｄ（ロ）としたとき
は、フィン１８の幅がＷ（イ）の場合に比べて約２０％
熱交換効率が向上した。

【００６７】また、同様にフィン１８の幅がＷ＋ｄ
（ハ）の放熱用熱交換器１１を使用し、空気２７の流れ
の逆向き、つまり図１３の矢印と反対方向に流すように
した場合は、スターリング冷凍機の冷凍能力はフィン１
８の幅がＷ（イ）のときより８％程度であるが、本実施
形態の優位性が実証された。

【００６８】尚、本実施形態においては、送風ファン２
５の起動により起風された空気２７は、放熱用熱交換器
１１の内側を冷凍機本体９に沿って流れ、放熱用熱交換
器１１のフィン１８間を抜けて外部に放出させる場合に
ついて説明したが、逆向きの流れ、つまり放熱用熱交換
器１１の周囲から吸い込み、放熱用熱交換器１１の内側
を冷凍機本体９に沿って流れ、送風ファン２５の後方に
排気する方式の場合、内側方向にフィン１８をｄだけ延
ばすことにより同様の効果が得られる。

【００６９】＜第６の実施形態＞本発明の第６の実施形
態について図面を参照して説明する。図１５は、本実施
形態に係るスターリング冷凍システムの放熱用熱交換器
の構成を示す模式的な断面図である。尚、この図１５
は、放熱用熱交換器１１の構成をわかりやすくするため
二次元的な断面で示しているが、実際の形状は、図２に
示すように、ヘッダー管１９，１９が隣接する円筒状を
しているものとする。

【００７０】放熱用熱交換器１１において、熱交換効率
を向上させる方法としては、次に凝縮管１７の本数を増
やすことにより、それらの凝縮管１７間に嵌着されるフ
ィン１８の数を増やして熱交換に寄与する表面積をかせ
ぐことが考えられる。

【００７１】しかしながら、凝縮管１７の本数を増大さ
せた場合、ヘッダー管１９から分岐する凝縮管１７が多
いほど内部を流通する冷媒１６に圧損がかかりやすくな
り、流入した冷媒１６が各凝縮器１７を均一に流れない
ことにより、かえって熱交換効率が低下することがあ
る。

【００７２】本実施形態に特徴的な構成を図１５を参照
して説明すると、ヘッダー管１９，１９に連通接続され
るリング状の１２本の凝縮管１７がある。そして、図中
の左側のヘッダー管１９の長手方向の中央、つまり凝縮
管１７の６本目と７本目との間にヘッダー管１９内部を
上下に仕切る仕切板２８が設けられている。

【００７３】この仕切板２８はヘッダー管１９と同じ材
料のアルミニウムにて形成された円板である。ヘッダー
管１９には予め、凝縮管１７の６本目と７本目との間に
切り込みを設けておき、放熱用熱交換器１１を形成する
工程のうち、治具上に固定する時に仕切板２８を前記切
り込みに差し込んでおく。その治具に組み込んだ状態
で、放熱用熱交換器１１を約６２０℃に設定された炉内
に運び込み、各部品を溶着させて固定する。

【００７４】次に、冷媒の流れについて説明する。循環
ポンプ１５が駆動されると、左側のヘッダー管１９の上
側に配された接続口１３から冷媒１６が流入し、ヘッダ
ー管１９内の仕切板２８の手前まで冷媒１６は移動し、
上半分の空間に満たされた後、上から１本目から６本目
の凝縮管１７内を均等に流れて右側のヘッダー管１９内
に流入する。更に、冷媒１６は右側ヘッダー管１９内を
下方に移動し、７本面から１２本目の凝縮管１７内を均
等に流れて左側のヘッダー管１９を経由して下方の接続
口１３から排出される。

【００７５】尚、本実施形態においては、凝縮管１７の
本数が１２本である放熱用熱交換器１１について説明し
たが、スターリング冷凍機の出力が大きくなり、それに
伴い、放熱用熱交換器１１の凝縮管１７の本数が更に増
えた場合には、ヘッダー管１９内を仕切る仕切板２８の
枚数を増やして冷媒の凝縮管１７を右から左、又は左か
ら右へと移動する往復回数をかせぎ、各凝縮管１７に均
等に冷媒１６を流してやる工夫が必要である。

【００７６】＜第７の実施形態＞本発明の第７の実施形
態について図面を参照して説明する。図１６は、本実施
形態に係るスターリング冷凍システムの要部拡大図であ
る。本実施形態に特徴的な構成は図１６に示すように、
ウォームセクション１０の内面に内部熱交換器２９が配
されており、ウォームセクション１０の外側にリング状
のドーナツ状部材２１が形成されていることである。

【００７７】次に、冷媒の流れについて説明する。循環
ポンプ１５が駆動されると、冷媒１６が上側の接続口１
３からドーナツ状部材２１内に流入し、内部熱交換器２
９を通過することで、圧縮熱が内部熱交換器２９、ウォ
ームセクション１０へと伝達される。ウォームセクショ
ン１０にドーナツ状部材２１が形成されており、そのド
ーナツ状部材２１内に冷媒１６を流すことにより、作動
ガスの圧縮熱を無駄なく冷媒１６に伝えることができ
る。

【００７８】＜第８の実施形態＞本発明の第８の実施形
態について図面を参照して説明する。図１７はスターリ
ング冷凍システムを搭載した冷却装置の一例である冷蔵
庫の概略的な外観斜視図である。冷蔵庫本体３０は断熱
材により囲まれて庫内が形成されており、その庫内は仕
切板にて複数の冷却室に分割されている。

【００７９】冷蔵庫本体３０の背面下部には、図１８に
示すような機械室ユニット３１がビス等により着脱可能
に設置されている。その機械室ユニット３１の内部に
は、上記第１〜第７の実施形態で説明したスターリング
冷凍機本体９や放熱用熱交換器１１等を組み合わせたス
ターリング冷凍システム３２と、冷蔵庫本体３０内の奥
方に形成される冷気流路（図示せず）に冷気吹出口３６
で連通接続される冷気ダクト３３と、冷蔵庫の様々な部
品を電気的に制御する電送ボックス３４とが配設されて
いる。

【００８０】スターリング冷凍システム３２のコールド
セクション４は、冷気ダクト３３内に位置するように配
されており、このコールドセクション４の先端は同じく
冷気ダクト３３内に配設された直方体形状の冷却器３５
の側面に密接している。従って、コールドセクション４
で生じた冷熱は冷却器３５に伝達されここに蓄積される
ようになっている。

【００８１】冷却器３５の構造を図１９に示すと、上面
及び底面が開放された略直方体の枠体の内部にハニカム
状に組み立てられたリブが取り付けられいる。冷却器３
５の下流側には送風ファン３８が配されており、その送
風ファン３８の入力により、冷却器３５内部のハニカム
状の空間に冷却器３５の下方から上方に空気の流を起こ
し、該冷却器３５が蓄積した冷熱をリブの表面から冷気
に受け渡す。

【００８２】その冷気は冷気ダクト３３の冷気吹出口３
６より冷気通路を経由して冷蔵庫本体３０の庫内へ搬送
される。庫内を冷却しながら循環した冷気は、冷気ダク
ト３３の冷気戻り口３７から冷却器３５の上流側に戻
る。

【００８３】尚、本実施形態では庫内に冷気を直接送出
してこれを冷却する場合について説明したが、従来の技
術で述べた特開平７−１８０９２１号公報に開示されて
いるような冷気が循環する閉回路からフィンを介して庫
内空気と熱交換させ、ファンで送風して冷却するような
方式を採用しても何ら差し支えない。また、本実施形態
では、冷却装置として冷蔵庫を例にして説明したが、こ
れはあくまで一例であり、他の冷却装置、例えば、小型
の保冷庫や冷凍庫等に上記の冷凍機ユニットを着脱可能
に設けてもよい。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によると、ス
ターリング冷凍機の駆動により圧縮熱が放熱されるウォ
ームセクションとスターリング冷凍機本体の周囲に設け
た円筒状の放熱用熱交換器とを配管にて接続して閉回路
を形成し、該閉回路内で冷媒を循環させるようにしたの
で、ウォームセクションからの熱を冷媒により搬送し、
放熱用熱交換器を介して外部に効率よく放出できるコン
パクトなスターリング冷凍システムの実現が可能とな
る。従って、スターリング冷凍機のコールドセクション
から安定して必要な冷熱を得ることができる。

【００８５】また、本発明によると、スターリング冷凍
機や放熱用熱交換器等を一体化したスターリング冷凍シ
ステムを機械室ユニットとして組み込み、該機械室ユニ
ットを冷蔵庫等の冷却装置に着脱可能に取り付けるよう
にしたことにより、必要に応じて機械室ユニットを冷却
装置から取り外して、部品の修理等のメンテナンスが容
易に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るフリーピストン型スターリン
グ冷凍機の一例の断面図である。

【図２】 本発明の第１の実施形態に係るスターリン
グ冷凍システムの概略的な構成を示す側面図である。

【図３】 そのスターリング冷凍システムのジャケッ
トの構造を示す断面図である。

【図４】 そのスターリング冷凍システムの放熱用熱
交換器の構成を示す上面図（ａ）及び側面図（ｂ）であ
る。

【図５】 その放熱用熱交換器の凝縮管の断面図であ
る。

【図６】 その放熱用熱交換器の要部の構造を示す模
式的な図である。

【図７】 本発明の第２の実施形態に係るスターリン
グ冷凍システムの概略的な構成を示す外観図である。

【図８】 そのスターリング冷凍システムの一部省略
断面図である。

【図９】 本発明の第３の実施形態に係るスターリン
グ冷凍システムの概略的な構成を示す側面図である。

【図１０】 そのスターリング冷凍システムの送風ファ
ンの風量と放熱用熱交換器による熱交換能力の関係を示
すグラフである。

【図１１】 本発明の第４の実施形態に係るスターリン
グ冷凍システムの要部側面図である。

【図１２】 本発明の第５の実施形態に係るスターリン
グ冷凍システムの放熱用熱交換器の概略的な構成を示す
側面図である。

【図１３】 その放熱用熱交換器の要部拡大図である。

【図１４】 そのスターリング冷凍システムの送風ファ
ンの風量とフィンの長さを変えた場合の放熱用熱交換器
による熱交換能力の関係を示すグラフである。

【図１５】 本発明の第６の実施形態に係るスターリン
グ冷凍システムの放熱用熱交換器の構成を示す模式的な
断面図である。

【図１６】 本発明の第７の実施形態に係るスターリン
グ冷凍システムの要部拡大図である。

【図１７】 本発明の第８の実施形態に係る冷蔵庫の概
略的な外観斜視図である。

【図１８】 その冷蔵庫の機械室ユニットの斜視図であ
る。

【図１９】 その冷蔵庫の冷却器の斜視図である。

【図２０】 従来のスターリング冷蔵庫の一例の概略的
な側面断面図である。

【符号の説明】

１ ディスプレーサ ２ ピストン ３ 再生器 ４ コールドセクション ５，５’，５’’ 共振用バネ ６ リニアモータ ７ 膨張空間 ８ 圧縮空間 ９ スターリング冷凍機本体 ９ｂ ロッド摺動部 １０ ウォームセクション １１ 放熱用熱交換器 １２ ジャケット １３ 接続口 １４ 配管 １５ 循環ポンプ １６ 冷媒 １７ 凝縮管 １８ フィン １９ ヘッダー管 ２０ スペーサ ２１ ドーナツ状部材 ２２ ロッド ２３ａ 第１マグネット ２３ｂ 第２マグネット ２４ 箱体 ２５，３８ 送風ファン ２６ 遮蔽板 ２７ 空気 ２８ 仕切板 ２９ 内部熱交換器 ３０ 冷蔵庫本体 ３１ 機械室ユニット ３２ スターリング冷凍システム ３３ 冷気ダクト ３４ 電送ボックス ３５ 冷却器 ３６ 冷気吹出口 ３７ 冷気戻り口

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動媒体が封入されたシリンダ内を所定
   の位相差で往復動するピストン及びディスプレーサと、
   前記シリンダ内に形成された膨張空間内における前記デ
   ィスプレーサの往復動に伴う前記作動媒体の膨張により
   外部から吸熱して冷熱を生ずる吸熱部と、前記シリンダ
   内に形成された圧縮空間内における前記ピストンの往復
   動に伴う前記作動媒体の圧縮により外部に放熱する放熱
   部とを有するスターリング冷凍機と、 該スターリング冷凍機の軸線と平行に筒状に形成された
   放熱用熱交換器と、 前記放熱部と前記放熱用熱交換器とを接続手段にて接続
   してなる閉回路と、 該閉回路内で作動媒体を循環させる搬送手段とを備えた
   ことを特徴とするスターリング冷凍システム。
2. 【請求項２】 前記放熱用熱交換器は、前記軸線に沿う
   方向に隣接して併設され前記接続手段の接続口を有する
   一対のヘッダー管と、該ヘッダー管の一方から他方へ連
   通接続されるとともに前記軸線を中心としてリング状に
   所定の幅で並設される複数の凝縮管と、前記複数の凝縮
   管の間に狭着されるフィンとからなることを特徴とする
   請求項１に記載のスターリング冷凍システム。
3. 【請求項３】 前記軸線と直交する放射方向の前記フィ
   ンの幅を、前記凝縮管の所定の幅と略等しくしたことを
   特徴とする請求項２に記載のスターリング冷凍システ
   ム。
4. 【請求項４】 前記搬送手段は、前記ピストンに前記軸
   線に沿って一端が固定されるロッドと、スターリング冷
   凍機の前記シリンダと反対側に前記軸線に沿って突設さ
   れるとともに前記ピストンに一端が固定されるロッドが
   摺動可能な円筒状のロッド摺動部と、該ロッド摺動部の
   先端部分に配され前記閉回路の一部をなす円筒状の箱体
   と、前記ロッドの他端に設けた第１マグネットと、前記
   ロッド摺動部が挿入されるとともに前記ロッド摺動部の
   外径と略等しい内径で、かつ、前記箱体の内径と略等し
   い外径に選ばれたドーナツ状部材と、該ドーナツ状部材
   に固定され前記第１のマグネットの往復動と連動して前
   記箱体内で往復動する円筒状の第２のマグネットと、第
   ２のマグネットの往復動の周期を前記ロッドの往復動の
   周期に合致させるスプリングとからなることを特徴とす
   る請求項１〜請求項４のいずれかに記載のスターリング
   冷凍システム。
5. 【請求項５】 放熱用熱交換器の内周面とスターリング
   冷凍機の外周面との間に円筒状の隙間が形成されるよう
   にこれらをユニット化し、該ユニットの一端に前記軸線
   を中心に回転する送風ファンを設け、該送風ファンによ
   り前記隙間に向けて送風するようにしたことを特徴とす
   る請求項１〜請求項５のいずれかに記載のスターリング
   冷凍システム。
6. 【請求項６】 前記フィンの幅を、風下方向に所定の長
   さだけ長くしたことを特徴とする請求項５に記載のスタ
   ーリング冷凍システム。
7. 【請求項７】 前記一対のヘッダー管の一方の両端に設
   けた前記接続手段の接続口と、このヘッダー管の内部を
   長手方向で仕切る仕切板とにより、前記接続口の一方か
   ら他方へと連通する冷媒経路を形成したことを特徴とす
   る請求項２〜請求項６のいずれかに記載のスターリング
   冷凍システム。
8. 【請求項８】 前記放熱部と前記接続手段との間の上記
   接続を、前記放熱部に周設され内部にリング状の冷媒経
   路を有するジャケットを介して行うことを特徴とする請
   求項１〜請求項７のいずれかに記載のスターリング冷凍
   システム。
9. 【請求項９】 請求項１〜請求項８のいずれかに記載の
   スターリング冷凍システムを本体下部の機械室の内部に
   配設し、前記スターリング冷凍機の駆動により前記吸熱
   部で生じた冷熱を用いて断熱材で囲まれた本体内部を冷
   却するようにしたことを特徴とする冷却装置。