【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機に関し、特に、スターリング冷凍機の作動ガスと放熱用冷媒との熱交換を行う冷却水装置のラジエータ（放熱器）に関する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題におけるフロン代替の冷凍装置として、又、従来の冷却装置より使用温度が広範囲であり、コンパクトで、しかも成績係数が高く、エネルギー効率が良好となる冷凍機として、スターリング冷凍機が脚光を浴びている。このため、スターリング冷凍機は、冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式クーラ等の業務用又は家庭用の冷熱利用機器をはじめ、低温液循環器、低温恒温器、恒温槽、ヒートショック試験装置、凍結乾燥機、温度特性試験装置、血液・細胞保存装置、コールドクーラ、その他各種の冷熱装置等のあらゆる産業分野の冷熱利用機器に適用可能な、冷熱供給源としての利用が検討されている。
【０００３】
スターリング冷凍機では、その本体を構成しクランク室やモータ室を有するハウジング内に、作動ガスが密閉状態で封入されている。一方、作動ガスが圧縮室（高温室）と膨張室（低温室）との間を流動し、この流路に沿って配設された冷却用熱交換器（低温側熱交換器）及び放熱用熱交換器（高温側熱交換器）により、夫々冷熱冷媒及び放熱用冷媒との熱交換が行われる。
【０００４】
放熱用熱交換器における熱交換では、まず、ガス側熱交換器で作動ガスと放熱用冷媒（冷却水）との熱交換が行われ、この冷却水が冷却水循環路を循環して、ラジエータ（放熱器）でこの冷却水と大気との熱交換が行われることにより、スターリング冷凍機からの廃熱を放熱する。図５は、このラジエータ（放熱器）１０１を示す斜視図である。
【０００５】
ラジエータ１０１は、冷却水が流動する複数の冷却水管路１０５、及び、冷却水管路１０５から熱を大気中に放出するための複数のフィン１０６を含んで構成される。冷却水管路１０５は、複数並設されており、個々の冷却水管路１０２、１０３、１０４がそれぞれ蛇行して、平行な部分（図示せず）と湾曲した部分１０２ｃ、１０３ｃ、１０４ｃとが複数形成されている。冷却水管路１０５のこの平行な部分に対して垂直方向に、アルミニウム板等から成る複数のフィン１０６が平行に立設して嵌合している。
【０００６】
ラジエータ１０１の上端部１０１ａには上部ヘッダ１０７が設けられ、下端部１０１ｂには下部ヘッダ１０８が設けられている。つまり、上部ヘッダ１０７は、ラジエータ１０１の上端部１０１ａから下方に向けて飛び出して設けられている複数の冷却水管路１０２、１０３、１０４それぞれの一端１０２ａ、１０３ａ、１０４ａに接続されている。上部ヘッダ１０７は、冷却水をこれらの冷却水管路１０５（１０２、１０３、１０４）から冷却水循環路（図示せず）へと連通させる。
【０００７】
一方、下部ヘッダ１０８は、上部ヘッダ１０７と対称な形状を成しており、下端部１０１ａから上方に向けて飛び出して設けられている複数の冷却水管路１０２、１０３、１０４それぞれの他端１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂに接続されている。下部ヘッダ１０８は、冷却水を冷却水循環路（図示せず）から冷却水管路１０５（１０２、１０３、１０４）へと連通させる。
【０００８】
上記冷却水循環路からの冷却水は、下部ヘッダ１０８、冷却水管路の他端１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂを介して冷却水管路１０２、１０３、１０４を流動し、フィン１０６を介して大気中にスターリング冷凍機からの廃熱を放熱する。この際、放熱を促進するため冷却ファン（図示せず）が近傍に設置されて送風される。その後、冷却された冷却水は、冷却水管路の一端１０２ａ、１０３ａ、１０４ａ、上部ヘッダ１０７を介して冷却水循環路へと帰還する。
【０００９】
上記のようなスターリング冷凍機に関連する従来技術として、スターリング冷凍機において熱交換機の構成を簡単とするために、外周面及び内周面に周方向のフィン及び作動流体用の長手方向の細溝を一体的にロストワックス鋳造で形成したことを特徴とする熱交換機が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００３−４２５８０号公報（第１頁、第１図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように、従来のラジエータでは、上部ヘッダは、ラジエータの上端部から下方に向けて飛び出して設けられている複数の冷却水管路それぞれの一端に接続されている。即ち、上部ヘッダがこれらの冷却水管路よりも低い位置に配設されている。したがって、冷却水管路から送流されてきた冷却水に残留しているエア（気体）が、上部ヘッダよりも高い位置にあるこれらの冷却水配管内に留まってしまい、冷却水の放熱効率を低下させる。
【００１２】
また、ラジエータの上端部及び下端部に設けられるヘッダ（上部ヘッダと下部ヘッダ）は、対称な形状をしている。つまり、２つのヘッダは形状が異なるため、ラジエータに取り付けるヘッダ（上部ヘッダと下部ヘッダ）としてそれぞれ異なった部品が必要となり、設備費がかかる。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みたものであり、冷却水の放熱効率を高めるとともに、設備費の低減を図ることができるラジエータ及びそれを用いたスターリング冷凍機を実現することを課題とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、作動ガスを圧縮膨張させて冷熱を発生させるスターリング冷凍機に備えられ、冷却水を冷却水循環路に循環させて前記作動ガスと該冷却水とを熱交換する冷却水装置に設けられ、前記冷却水循環路上に設けられた冷却水管路を流動する前記冷却水と大気とを熱交換することにより、前記スターリング冷凍機からの廃熱を放熱するラジエータであって、前記ラジエータの上端部に位置する前記冷却水管路と前記冷却水循環路とを連通させる上部ヘッダの形状と、前記ラジエータの下端部に位置する前記冷却水管路と前記冷却水循環路とを連通させる下部ヘッダの形状とが、等しいことを特徴とするラジエータを提供する。
【００１５】
前記上部ヘッダは、前記上端部に位置する前記冷却水管路よりも上方に配設されていることが好ましい。
【００１６】
前記冷却水管路は、等間隔に複数並設されており、前記複数の冷却水管路の一端が、それぞれ前記上端部において前記上部ヘッダに接続され、前記複数の冷却水管路の他端が、それぞれ前記下端部において前記下部ヘッダに接続されていることが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、作動ガスを圧縮膨張させて冷熱を発生させるスターリング冷凍機であって、前記スターリング冷凍機には、冷却水を冷却水循環路に循環させて前記作動ガスと該冷却水とを熱交換する冷却水装置が備えられており、前記冷却水循環路上に設けられた冷却水管路を流動する前記冷却水と大気とを熱交換することにより、前記スターリング冷凍機からの廃熱を放熱するラジエータが設けられ、前記ラジエータの上端部に位置する前記冷却水管路と前記冷却水循環路とを連通させる上部ヘッダの形状と、前記ラジエータの下端部に位置する前記冷却水管路と前記冷却水循環路とを連通させる下部ヘッダの形状とが、等しいことを特徴とするスターリング冷凍機を提供する。
【００１８】
前記上部ヘッダは、前記上端部に位置する前記冷却水管路よりも上に配設されていることが好ましい。
【００１９】
前記冷却水管路は、等間隔に複数並設されており、前記複数の冷却水管路の一端が、それぞれ前記上端部において前記上部ヘッダに接続され、前記複数の冷却水管路の他端が、それぞれ前記下端部において前記下部ヘッダに接続されていることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係るラジエータ及びそれを用いたスターリング冷凍機の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。
【００２１】
（実施例）
本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して以下に説明する。図１〜図３は、本発明の適用されるスターリング冷凍機を説明する図であり、図１はスターリング冷凍機１の全体構成を説明する正面図である。図２はスターリング冷凍機１の要部を説明する図であり、図３は一部が断面の右側面図を示す図である。
【００２２】
スターリング冷凍機１の鋳物で形成されたハウジング２は、その内部はＨｅが充填され、密閉状態に保持されており、区画壁３を介して互いに連通するモータ室４とクランク室５とを有する。モータ室４には正逆回転可能なモータ６が配設されており、クランク室５には、モータ６で回転駆動されるクランクシャフト７、コンロッド８、９と、クロスガイドヘッド１０、１１等の駆動機構が配設されている。
【００２３】
クランクシャフト７の二つのクランク部１２、１３は、モータ６の正転時にクランク部１３がクランク部１２より先行して移動するように、位相差を付けて形成されている。この位相差は、一般的には約９０度の位相差が採用される。クランク部１２、１３には、コンロッド８、９が取り付けられ、さらにこのコンロッド８、９にクロスガイドヘッド１０、１１が取り付けられている。
【００２４】
ハウジング２におけるクランク室５の上部には、座部１４を介してシリンダブロック１５がボルト１６で取付られている。シリンダブロック１５は、圧縮シリンダ１７を形成するとともに、膨張シリンダ１８の一部（下部）を形成している。
【００２５】
圧縮シリンダ１７内を往復動する圧縮ピストン１９の上方空間（圧縮空間）が高温室２０であり、この中で作動ガスであるＨｅは圧縮されて高温となる。圧縮ピストンロッド２１は、圧縮ピストン１９とクロスガイドヘッド１０を連結し、クランク室５から圧縮シリンダ１７へ伸びるように設けられている。オイルシールベローズ２２が圧縮ピストンロッド２１とハウジング２の上部との間に取り付けられ、圧縮シリンダ１７とクランク室５との間をシールし、クランク室５からの油上がりを防止している。
【００２６】
一方、膨張シリンダ１８は、その下部は上述の通りシリンダブロック１５で構成し、その上部は、後述する放熱用熱交換器２９の内側シリンダ２３と冷却用熱交換器の内筒２４とから構成している。この膨張シリンダ１８内を往復摺動するピストン２５の上方空間（膨張空間）が低温室２６であり、この中で作動ガスが膨張し低温となる。
【００２７】
膨張ピストンロッド２７は、膨張ピストン２５とクロスガイドヘッド１１とを連結し、クランク室５から膨張シリンダ１８内に伸びている。オイルシールベローズ２８が、膨張ピストンロッド２７とハウジング２の上部との間に取り付けられ、膨張シリンダ１８とクランク室５との間をシールしクランク室５からの油上がりを防止している。膨張ピストン２５は、圧縮ピストン１９より９０度の位相だけ先行して移動する。
【００２８】
膨張シリンダ１８を囲むように、放熱用熱交換器（高温側熱交換器）２９、再生器３０及び冷却用熱交換器（低温側熱交換器）３１が互いに連通して環状に配設されている。放熱用熱交換器２９の下端、かつ膨張シリンダ１８の周囲に、マニホールド（作動ガス用の流路）３２が形成されている。
【００２９】
そして、圧縮シリンダ１７の上端部には、高温室２０とマニホールド３２とを連通する連通孔３３が形成されている。高温室２０と低温室２６は、連通孔３３、マニホールド３２、放熱用熱交換器２９、再生器３０及び冷却用熱交換器３１を通して互いに順次連通するように構成されている。
【００３０】
シリンダブロック１５は、その上部に放熱用熱交換ハウジング３４を有する。この放熱用熱交換ハウジング３４と内側シリンダ２３との間には、熱交換器筒３７が嵌合し、放熱用熱交換器（高温側熱交換器）２９を構成している。熱交換器筒３７は、その内面には、作動ガスの流路を形成する細溝３５を有し、外面に放熱フィン３６を有する。
【００３１】
作動ガスは細溝３５を通る一方、放熱用熱交換ハウジング３４と放熱フィン３６との間の放熱路３８には冷却水が流れ、これにより、作動ガスの温熱が冷却水に放熱される。シリンダブロック１５の左右両側面には、蓋板３９が水密的に固定されており、この蓋板３９とシリンダブロック１５との間に冷却水路４０を形成している。この冷却水路４０は、入口４１を通して放熱路３８に連通するとともに、圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８を囲むように形成されている。
【００３２】
放熱路３８に冷却水の流入口４２が設けられており、冷却水路４０には流出口４３が設けられ、流入口４２と流出口４３は、冷却水循環路及び冷却水循環用ポンプを介して、冷却ファン（いずれも図示せず）を有する空冷の放熱器（ラジエータ）７１（後述する図４参照）に接続されている。
【００３３】
内筒２４の下部は、内側シリンダ２３と嵌合し膨張シリンダ１８の一部を構成しているが、この内筒２４の上部外周側に冷却用熱交換ハウジング４４が配設され、シリンダブロック１５に着脱可能に固着されている。冷却用熱交換ハウジング４４は、その内面には複数の細溝４５を有し、内筒２４と嵌合して作動ガス流路４６を形成し、その外面には冷却フィン４７を有する。これにより、冷却用熱交換器（低温側熱交換器）３１を構成している。冷却用熱交換器３１は、本発明のスターリング冷凍機の冷熱を利用する冷熱利用機器の冷熱冷媒の冷却を行う。
【００３４】
内筒２４と冷却用熱交換ハウジング４４との間の環状空間には、金属メッシュ等の蓄冷材から成る再生器３０が配設されている。
【００３５】
オイルシールベローズ２８と膨張ピストン２５との間の空間（オイルシールベローズ２２と圧縮ピストン１９との間の空間についても同じ）は、バッファ空間（バッファ室）４８と呼ばれている。バッファ空間４８は、管４９によりバッファタンク５１に接続され、バッファタンク５１は、管５０によりハウジング２のクランク室５（モータ室４でもよい。）に接続されている。
【００３６】
本発明は、以上のような構成のスターリング冷凍機１において次に説明する図４のラジエータ（放熱器）７１に関する構成に特徴を有する。
【００３７】
スターリング冷凍機１の放熱用熱交換器２９における熱交換では、上述したように、まず、ガス側熱交換器で細溝３５を通る作動ガスの温熱が放熱路３８（いずれも図１参照）を流れる冷却水に放熱され、作動ガスと冷却水（放熱用冷媒）との熱交換が行われる。そして、この冷却水が流入口４２及び流出口４３（図１参照）に接続されている冷却水循環路（図示せず）を循環して、図４に示すラジエータ（放熱器）７１でこの冷却水と大気との熱交換が行われることにより、スターリング冷凍機からの廃熱を放熱する。
【００３８】
なお、上述したような、作動ガスと冷却水とを熱交換するガス側熱交換器、冷却水が循環する冷却水循環路、及び、冷却水と大気との熱交換を行うラジエータを含めて冷却水装置という。
【００３９】
図４は、この冷却水装置に設けられて、大気との熱交換を行うラジエータ（放熱器）７１を示す斜視図である。ラジエータ７１は、冷却水が流動する複数の冷却水管路７５、及び、冷却水管路７５から熱を大気中に放出するための複数のフィン７６を含んで構成される。冷却水管路７５は、等間隔に複数並設された個々の冷却水管路７２、７３、７４から成り、個々の冷却水管路７２、７３、７４がそれぞれ蛇行して、中央の平行な部分（図示せず）と末端の湾曲した部分７２ｃ、７３ｃ、７４ｃとが複数形成されている。冷却水管路７５のこの平行な部分に対して垂直方向に、アルミニウム板等から成る複数のフィン７６が平行に立設して嵌合している。
【００４０】
ラジエータ７１の上端部７１ａには上部ヘッダ７７が設けられ、下端部７１ｂには下部ヘッダ７８が設けられている。上部ヘッダ７７は、冷却水管路７２、７３、７４それぞれの一端７２ａ、７３ａ、７４ａに接続されており、下部ヘッダ７８は、冷却水管路７２、７３、７４それぞれの他端７２ｂ、７３ｂ、７４ｂに接続されている。上部ヘッダ７７及び下部ヘッダ７８は、冷却水管路７５（７２、７３、７４）を、冷却水が循環する冷却水循環路（図示せず）へと連通させる。
【００４１】
本発明の特徴の一つは、上部ヘッダ７７が、上端部７１ａに位置する冷却水管路７２、７３、７４、よりも上方に配設されていることである。具体的には、下方から上方へと蛇行して来た冷却水管路７５の最も高い位置にある平行な部分から、冷却水管路の一端７２ａ、７３ａ、７４ａが、ラジエータ７１の上端部７１ａにおいて上方に向けて飛び出して設けられている。この冷却水管路の一端７２ａ、７３ａ、７４ａが、それぞれ上部ヘッダ７７に接続されている。したがって、上部ヘッダ７７は、蛇行している冷却水管路７５の最も高い位置にある平行な部分よりもさらに高い位置に配設されることとなる。
【００４２】
これにより、次の効果が得られる。冷却水循環路から送流されてきた冷却水中には、エア（気体）が残留している。この残留エアは、冷却水と共に、上記冷却水管路７５の最も高い位置にある平行な部分を通過する。本発明では、上部ヘッダ７７が冷却水管路７５の最も高い位置にある平行な部分や冷却水管路７５の一端７２ａ、７３ａ、７４ａよりも上方に位置しているので、残留エアが流れやすくなる。つまり、残留エアは、冷却水管路７５のこの平行な部分に留まることなく、上部ヘッダ７７を介してスムーズに冷却水循環路へともどることができる。したがって、冷却水の放熱効率の上昇を図ることができる。
【００４３】
本発明のさらなる特徴は、下部ヘッダ７８と上部ヘッダ７７とが等しい形状をしていることである。具体的には、下部ヘッダ７８も、上部ヘッダ７７と同様に、冷却水管路の他端７２ｂ、７３ｂ、７４ｂが、ラジエータ７１の下端部７１ｂにおいて上方に向けて飛び出して設けられている。そして、この冷却水管路の他端７２ｂ、７３ｂ、７４ｂが、それぞれ下部ヘッダ７８に接続されている。
【００４４】
上部ヘッダ７７及び下部ヘッダ７８の形状が等しいので、ラジエータ７１に取り付ける２つのヘッダ（上部ヘッダと下部ヘッダ）として、同じ部品を用いることができ（共通部品にでき）、部品管理が容易となる。さらには製造すべきヘッダが１種類で済み、設備費の低減を図ることができる。
【００４５】
（作用）
次に、上記実施例のスターリング冷凍機の作用を説明する。モータ６によってクランクシャフト７が正方向に回転し、クランク室５内のクランク部１２、１３が９０度位相がずれて回転する。このクランク部１２、１３に連結されたコンロッド８、９、クロスガイドヘッド１０、１１、圧縮ピストンロッド２１及び膨張ピストンロッド２７を介して、圧縮ピストン１９及び膨張ピストン２５が、互いに９０度の位相差をもって往復動する。
【００４６】
膨張ピストン２５が９０度先行して上死点付近でゆっくりと移動中、圧縮ピストン１９は中間付近を上死点に向かって急速に移動して作動ガスの圧縮動作を行う。圧縮された作動ガスは、連通孔３３及びマニホールド３２を通り放熱用熱交換器２９の細溝３５内に流入し、放熱路３８を流れる冷却水に放熱する。さらに作動ガスは、再生器３０に蓄熱された冷熱で冷却され、細溝４５内を通って低温室２６（膨張空間）内に流入する。
【００４７】
圧縮ピストン１９が上死点近辺でゆっくりと移動している時に膨張ピストン２５は急激に下死点に向かって移動し、低温室２６（膨張空間）に流入した作動ガスは急激に膨張し冷熱が発生する。これにより冷却用熱交換器３１を含むヘッド部（コールドヘッドと言う。）４８は冷却されて低温となる。
【００４８】
そして、冷却用熱交換器３１において、冷却フィン４７に接する冷熱利用機器用の冷熱冷媒を冷却する。膨張ピストン２５が下死点から上死点に移動するときには圧縮ピストン１９は中間位置から下死点に向かっており、作動ガスは低温室２６より冷却用熱交換器の細溝４５を通り再生器３０に流入し作動ガスの有する冷熱を再生器３０に蓄熱する。再生器３０に蓄熱された冷熱は、上記のように高温室２０から放熱用熱交換器２９を通して送られてくる作動ガスを、再度冷却するために再利用される。
【００４９】
そして、冷却用熱交換器において冷却された冷熱冷媒は、流出パイプ６４から各種の冷熱利用機器に送られ冷却に利用される。例えば、冷熱冷媒は、冷凍庫等の冷熱利用機器内の冷熱冷媒用配管に送られ、冷熱利用機器内で冷凍あるいは冷却作用を行う。そして冷熱利用機器から冷却用熱交換器３１に流入パイプ６５を通って循環して戻され、再度冷却される。
【００５０】
放熱器（ラジエータ）７１から冷却水循環路を介して送られてくる冷却水は、流入口４２から放熱用熱交換器３８内に流入し、放熱路３８を通過して作動ガスを冷却する。さらに、この冷却水は冷却水路４０に流入し、圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８の周囲を流れる。これによって、シリンダブロック１５の内側に形成されている圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８を周囲から冷却する。この後、冷却水は、流出口４３から流出して、再び、冷却水循環路を介し、ラジエータ（放熱器）７１において冷却される。
【００５１】
つまり、流出口４３から接続されている冷却水循環路へ送流された冷却水が、下部ヘッダ７８、冷却水管路の他端７２ｂ、７３ｂ、７４ｂ、さらに冷却水管路７２、７３、７４へと流動し、フィン７６を介して大気中にスターリング冷凍機からの廃熱を放熱して冷却される。この放熱を促進するため、冷却ファン（図示せず）がラジエータ７１近傍に設置されて送風される。冷却された冷却水は、冷却水管路の一端７２ａ、７３ａ、７４ａ、そして、上部ヘッダ１０７から冷却水循環路へと帰還し、再度、放熱用熱交換器２９へ循環する。
【００５２】
以上、本発明に係るラジエータ及びそれを用いたスターリング冷凍機の実施形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は特にこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることはいうまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
以上の構成から成る本発明に係るラジエータ及びそれを用いたスターリング冷凍機によると、冷却水の放熱効率を高めるとともに、設備費の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のラジエータが適用されるスターリング冷凍機の全体構成を説明する正面図である。
【図２】スターリング冷凍機の要部を説明する図である。
【図３】スターリング冷凍機の、一部が断面の右側面図を示す図である。
【図４】本実施例のラジエータ（放熱器）を示す斜視図である。
【図５】従来のラジエータ（放熱器）を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
２ ハウジング
３ 区画壁
４ モータ室
５ クランク室
６ モータ
７ クランクシャフト
８、９ コンロッド
１０、１１ クロスガイドヘッド
１０’、１１’連結ピン
１２、１３ クランク部
１４ 座部
１５ シリンダブロック
１６ ボルト
１７ 圧縮シリンダ
１８ 膨張シリンダ
１９ 圧縮ピストン
２０ 上方空間（圧縮空間）高温室
２１ 圧縮ピストンロッド
２２ オイルシールベローズ
２３ 内側シリンダ
２４ 冷却用熱交換器の内筒
２５ 膨張ピストン
２６ 上方空間（膨張空間）が低温室
２７ 膨張ピストンロッド
２８ オイルシールベローズ
２９ 放熱用熱交換器（高温側熱交換器）
３０ 再生器
３１ 冷却用熱交換器（低温側熱交換器）
３２ マニホールド（作動ガス用の流路）
３３ 連通孔
３４ 放熱用熱交換ハウジング
３５ 熱交換器筒の内面の作動ガス流路用の細溝
３６ 放熱フィン
３７ 熱交換器筒
３８ 放熱用熱交換ハウジング放熱フィンとの間の放熱路
３９ 蓋板
４０ 冷却水路
４１ 入口
４２ 放熱路に冷却水の流入口
４３ 冷却水路の流出口
４４ 冷却用熱交換ハウジング
４５ 冷却用熱交換ハウジングの内面の複数の細溝
４６ 作動ガス流路
４７ 冷却フィン
４８ バッファ空間（バッファ室）
４９ 管
５１ バッファタンク
７１、１０１ ラジエータ
７１ａ、１０１ａ 上端部
７１ｂ、１０１ｂ 下端部
７２、７３、７４、１０２、１０３、１０４ 個々の冷却水管路
７２ａ、７３ａ、７４ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａ 冷却水管路の一端
７２ｂ、７３ｂ、７４ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ 冷却水管路の他端
７２ｃ、７３ｃ、７４ｃ、１０２ｃ、１０３ｃ、１０４ｃ 湾曲した部分
７５、１０５ 冷却水管路
７６、１０６ フィン
７７、１０７ 上部ヘッダ
７８、１０８ 下部ヘッダ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a Stirling refrigerator, and more particularly to a radiator (radiator) of a cooling water device that exchanges heat between a working gas of the Stirling refrigerator and a radiating refrigerant.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the Stirling refrigerator has been used as a refrigeration system that substitutes CFCs for global environmental problems, and that has a wider operating temperature than conventional cooling systems, is compact, has a high coefficient of performance, and has good energy efficiency. It is in the spotlight. For this reason, Stirling refrigerating machines include refrigerators, refrigerators, commercial or home-use cold energy utilization equipment such as throw-in coolers, low-temperature liquid circulators, low-temperature constant temperature ovens, constant-temperature baths, heat shock test devices, freeze dryers, The utilization as a cold heat source applicable to cold utilization equipment in all industrial fields such as a temperature characteristic test device, a blood / cell storage device, a cold cooler, and various other types of cooling devices is being studied.
[0003]
In a Stirling refrigerator, a working gas is hermetically sealed in a housing constituting a main body and having a crank chamber and a motor chamber. On the other hand, the working gas flows between the compression chamber (high temperature chamber) and the expansion chamber (low temperature chamber), and the cooling heat exchanger (low temperature side heat exchanger) and the heat radiation The heat exchanger (high-temperature side heat exchanger) exchanges heat with the cold refrigerant and the radiating refrigerant, respectively.
[0004]
In the heat exchange in the heat-radiating heat exchanger, first, heat exchange between the working gas and the heat-radiating refrigerant (cooling water) is performed in the gas-side heat exchanger, and the cooling water circulates through the cooling water circulation path, and the radiator ( The heat exchange between the cooling water and the atmosphere is performed by the radiator to radiate waste heat from the Stirling refrigerator. FIG. 5 is a perspective view showing the radiator (radiator) 101.
[0005]
The radiator 101 includes a plurality of cooling water pipes 105 through which cooling water flows, and a plurality of fins 106 for releasing heat from the cooling water pipe 105 to the atmosphere. A plurality of cooling water pipes 105 are provided in parallel, and the individual cooling water pipes 102, 103, and 104 meander, respectively, and a plurality of parallel portions (not shown) and curved portions 102c, 103c, and 104c are formed. Have been. A plurality of fins 106 made of an aluminum plate or the like are fitted upright in parallel to the parallel portion of the cooling water pipe 105 in the vertical direction.
[0006]
An upper header 107 is provided at an upper end portion 101a of the radiator 101, and a lower header 108 is provided at a lower end portion 101b. That is, the upper header 107 is connected to one end 102a, 103a, 104a of each of the plurality of cooling water pipes 102, 103, 104 provided to protrude downward from the upper end 101a of the radiator 101. The upper header 107 communicates the cooling water from these cooling water pipes 105 (102, 103, 104) to a cooling water circulation path (not shown).
[0007]
On the other hand, the lower header 108 has a symmetrical shape with the upper header 107, and the other end 102b of each of the plurality of cooling water conduits 102, 103, 104 provided to protrude upward from the lower end 101a, 103b and 104b. The lower header 108 communicates the cooling water from a cooling water circulation path (not shown) to the cooling water pipe 105 (102, 103, 104).
[0008]
The cooling water from the cooling water circulation path flows through the cooling water pipes 102, 103, and 104 via the lower header 108 and the other ends 102b, 103b, and 104b of the cooling water pipes, and is cooled by sterling into the atmosphere through the fins 106. Dissipates waste heat from the machine. At this time, a cooling fan (not shown) is installed in the vicinity to blow heat to promote heat radiation. Thereafter, the cooled cooling water returns to the cooling water circulation path via one end 102a, 103a, 104a of the cooling water pipe and the upper header 107.
[0009]
As a prior art related to the above Stirling refrigerator, in order to simplify the configuration of the heat exchanger in the Stirling refrigerator, circumferential fins and longitudinal narrow grooves for a working fluid are provided on an outer peripheral surface and an inner peripheral surface. Has been proposed, wherein the heat exchanger is integrally formed by lost wax casting (for example, see Patent Document 1).
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-2003-42580 (page 1, FIG. 1)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, as described above, in the conventional radiator, the upper header is connected to one end of each of a plurality of cooling water pipes provided to protrude downward from the upper end of the radiator. That is, the upper header is disposed at a position lower than these cooling water pipes. Therefore, air (gas) remaining in the cooling water sent from the cooling water pipe stays in these cooling water pipes located at a position higher than the upper header, and the heat radiation efficiency of the cooling water decreases. Let it.
[0012]
The headers (upper header and lower header) provided at the upper end and the lower end of the radiator have symmetric shapes. That is, since the two headers have different shapes, different parts are required as headers (upper header and lower header) to be attached to the radiator, and equipment cost is required.
[0013]
The present invention has been made in view of the above problems, and has an object to realize a radiator and a Stirling refrigerator using the radiator, which can improve the heat radiation efficiency of the cooling water and reduce the equipment cost. is there.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is provided in a Stirling refrigerator that compresses and expands a working gas to generate cold heat, and circulates cooling water through a cooling water circuit to exchange heat between the working gas and the cooling water. A radiator that radiates waste heat from the Stirling refrigerator by exchanging heat between the cooling water flowing through a cooling water pipe provided on the cooling water circulation path and the atmosphere. A shape of an upper header that connects the cooling water circulation path and the cooling water circulation path located at the upper end of the radiator, and a lower part that communicates the cooling water circulation path and the cooling water circulation path located at the lower end of the radiator. A radiator characterized in that the header has the same shape.
[0015]
It is preferable that the upper header is disposed above the cooling water pipe located at the upper end.
[0016]
The plurality of cooling water pipes are arranged in parallel at equal intervals, one ends of the plurality of cooling water pipes are respectively connected to the upper header at the upper end, and the other ends of the plurality of cooling water pipes are respectively provided. Preferably, the lower end is connected to the lower header.
[0017]
Further, the present invention is a Stirling refrigerator which compresses and expands a working gas to generate cold heat, wherein the Stirling refrigerator has a structure in which cooling water is circulated through a cooling water circulation path to mix the working gas and the cooling water. A cooling water device for performing heat exchange is provided, and by exchanging heat between the cooling water flowing through a cooling water pipe provided on the cooling water circulation path and the atmosphere, waste heat from the Stirling refrigerator is radiated. A radiator is provided, and the shape of an upper header that connects the cooling water pipe and the cooling water circulation path located at the upper end of the radiator, and the cooling water pipe and the cooling water circulation path located at the lower end of the radiator. The shape of the lower header which communicates with the Stirling refrigerator is provided.
[0018]
It is preferable that the upper header is disposed above the cooling water pipe located at the upper end.
[0019]
The plurality of cooling water pipes are arranged in parallel at equal intervals, one ends of the plurality of cooling water pipes are respectively connected to the upper header at the upper end, and the other ends of the plurality of cooling water pipes are respectively provided. Preferably, the lower end is connected to the lower header.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of a radiator and a Stirling refrigerator using the radiator according to the present invention will be described based on examples with reference to the drawings.
[0021]
(Example)
Embodiments of the present invention will be described below based on examples with reference to the drawings. 1 to 3 are diagrams illustrating a Stirling refrigerator to which the present invention is applied, and FIG. 1 is a front view illustrating an entire configuration of the Stirling refrigerator 1. FIG. 2 is a diagram illustrating a main part of the Stirling refrigerator 1, and FIG. 3 is a diagram illustrating a right side view of a part of a cross section.
[0022]
The housing 2 formed of a casting of the Stirling refrigerator 1 is filled with He and is kept in a sealed state, and has a motor chamber 4 and a crank chamber 5 which communicate with each other via a partition wall 3. The motor chamber 4 is provided with a motor 6 that can be rotated forward and backward. The crank chamber 5 is provided with a crankshaft 7, connecting rods 8 and 9, and cross guide heads 10 and 11 that are driven to rotate by the motor 6. A drive mechanism is provided.
[0023]
The two crank portions 12 and 13 of the crankshaft 7 are formed with a phase difference so that the crank portion 13 moves ahead of the crank portion 12 when the motor 6 rotates forward. As this phase difference, a phase difference of about 90 degrees is generally adopted. Connecting rods 8 and 9 are attached to the crank portions 12 and 13, and cross guide heads 10 and 11 are attached to the connecting rods 8 and 9.
[0024]
A cylinder block 15 is attached to the upper part of the crank chamber 5 of the housing 2 with a bolt 16 via a seat 14. The cylinder block 15 forms a part (lower part) of the expansion cylinder 18 while forming the compression cylinder 17.
[0025]
The space above the compression piston 19 (compression space) that reciprocates in the compression cylinder 17 is a high-temperature chamber 20 in which He, which is a working gas, is compressed to a high temperature. The compression piston rod 21 connects the compression piston 19 and the cross guide head 10, and is provided to extend from the crank chamber 5 to the compression cylinder 17. An oil seal bellows 22 is mounted between the compression piston rod 21 and the upper part of the housing 2 to seal between the compression cylinder 17 and the crank chamber 5 and prevent oil from flowing out of the crank chamber 5.
[0026]
On the other hand, the lower part of the expansion cylinder 18 is constituted by the cylinder block 15 as described above, and the upper part thereof is constituted by the inner cylinder 23 of the heat exchanger 29 for heat radiation described later and the inner cylinder 24 of the heat exchanger for cooling. ing. The space above the piston 25 (expansion space) that reciprocates in the expansion cylinder 18 is a low-temperature chamber 26 in which the working gas expands to a low temperature.
[0027]
The expansion piston rod 27 connects the expansion piston 25 and the cross guide head 11, and extends from the crank chamber 5 into the expansion cylinder 18. An oil seal bellows 28 is mounted between the expansion piston rod 27 and the upper part of the housing 2 to seal between the expansion cylinder 18 and the crank chamber 5 to prevent oil from flowing out of the crank chamber 5. The expansion piston 25 moves ahead of the compression piston 19 by a phase of 90 degrees.
[0028]
A heat-dissipating heat exchanger (high-temperature-side heat exchanger) 29, a regenerator 30 and a cooling heat exchanger (low-temperature-side heat exchanger) 31 are annularly arranged so as to communicate with each other so as to surround the expansion cylinder 18. I have. A manifold (flow path for working gas) 32 is formed at the lower end of the heat-dissipating heat exchanger 29 and around the expansion cylinder 18.
[0029]
A communication hole 33 that connects the high temperature chamber 20 and the manifold 32 is formed at the upper end of the compression cylinder 17. The high-temperature chamber 20 and the low-temperature chamber 26 are configured to sequentially communicate with each other through a communication hole 33, a manifold 32, a heat-radiating heat exchanger 29, a regenerator 30, and a cooling heat exchanger 31.
[0030]
The cylinder block 15 has a heat-exchange housing 34 for heat dissipation at the top. A heat exchanger tube 37 is fitted between the heat-radiating heat exchange housing 34 and the inner cylinder 23 to form a heat-radiating heat exchanger (high-temperature side heat exchanger) 29. The heat exchanger tube 37 has, on its inner surface, a narrow groove 35 that forms a working gas flow path, and has a heat radiation fin 36 on its outer surface.
[0031]
While the working gas passes through the narrow groove 35, cooling water flows in the heat dissipation path 38 between the heat exchange housing 34 for heat dissipation and the heat dissipation fins 36, whereby heat of the working gas is radiated to the cooling water. A lid plate 39 is fixed to both left and right sides of the cylinder block 15 in a watertight manner, and a cooling water passage 40 is formed between the lid plate 39 and the cylinder block 15. The cooling water passage 40 is formed so as to communicate with the heat radiation passage 38 through the inlet 41 and to surround the compression cylinder 17 and the expansion cylinder 18.
[0032]
A cooling water inlet 42 is provided in the heat radiating path 38, an outlet 43 is provided in the cooling water path 40, and the cooling water circulation path and the cooling water circulation pump connect the cooling medium circulation port and the cooling water circulation pump 43. It is connected to an air-cooled radiator (radiator) 71 (see FIG. 4 described later) having a fan (neither is shown).
[0033]
The lower portion of the inner cylinder 24 is fitted to the inner cylinder 23 to form a part of the expansion cylinder 18. A cooling heat exchange housing 44 is disposed on the outer peripheral side of the upper portion of the inner cylinder 24, and the cylinder block 15. It is detachably fixed to. The cooling heat exchange housing 44 has a plurality of narrow grooves 45 on its inner surface, forms a working gas flow path 46 by fitting with the inner cylinder 24, and has cooling fins 47 on its outer surface. Thus, a cooling heat exchanger (low-temperature side heat exchanger) 31 is configured. The cooling heat exchanger 31 cools the cold refrigerant of the cold utilization device using the cold of the Stirling refrigerator of the present invention.
[0034]
A regenerator 30 made of a cold storage material such as a metal mesh is provided in an annular space between the inner cylinder 24 and the heat exchange housing 44 for cooling.
[0035]
The space between the oil seal bellows 28 and the expansion piston 25 (the same applies to the space between the oil seal bellows 22 and the compression piston 19) is called a buffer space (buffer chamber) 48. The buffer space 48 is connected to a buffer tank 51 by a pipe 49, and the buffer tank 51 is connected to the crank chamber 5 (or the motor chamber 4) of the housing 2 by a pipe 50.
[0036]
The present invention is characterized in the configuration relating to the radiator (radiator) 71 of FIG. 4 described below in the Stirling refrigerator 1 configured as described above.
[0037]
In the heat exchange in the heat-radiating heat exchanger 29 of the Stirling refrigerator 1, as described above, first, the temperature of the working gas passing through the narrow groove 35 in the gas-side heat exchanger passes through the heat-radiating path 38 (see FIG. 1). The heat is radiated by the flowing cooling water, and heat exchange between the working gas and the cooling water (radiating refrigerant) is performed. Then, the cooling water circulates through a cooling water circulation path (not shown) connected to the inflow port 42 and the outflow port 43 (see FIG. 1), and is cooled by a radiator (radiator) 71 shown in FIG. The waste heat from the Stirling refrigerator is radiated by the heat exchange between the Stirling refrigerator and the atmosphere.
[0038]
As described above, the cooling water including the gas-side heat exchanger for exchanging heat between the working gas and the cooling water, the cooling water circulation path for circulating the cooling water, and the radiator for exchanging heat between the cooling water and the atmosphere. It is called a device.
[0039]
FIG. 4 is a perspective view showing a radiator (radiator) 71 provided in the cooling water device and performing heat exchange with the atmosphere. The radiator 71 includes a plurality of cooling water pipes 75 through which the cooling water flows, and a plurality of fins 76 for releasing heat from the cooling water pipe 75 to the atmosphere. The cooling water pipeline 75 is composed of a plurality of individual cooling water pipelines 72, 73, 74 arranged side by side at equal intervals. Each of the cooling water pipelines 72, 73, 74 is meandering and has a central parallel portion (FIG. (Not shown) and a plurality of end curved portions 72c, 73c, 74c. A plurality of fins 76 made of an aluminum plate or the like are fitted upright in parallel with the parallel portion of the cooling water pipe 75 in a vertical direction.
[0040]
An upper header 77 is provided at an upper end 71a of the radiator 71, and a lower header 78 is provided at a lower end 71b. The upper header 77 is connected to one end 72a, 73a, 74a of each of the cooling water pipes 72, 73, 74, and the lower header 78 is connected to the other end 72b, 73b, 74b of each of the cooling water pipes 72, 73, 74. It is connected. The upper header 77 and the lower header 78 connect the cooling water pipe 75 (72, 73, 74) to a cooling water circulation path (not shown) through which the cooling water circulates.
[0041]
One of the features of the present invention is that the upper header 77 is disposed above the cooling water pipes 72, 73, 74 located at the upper end 71a. More specifically, one end 72a, 73a, 74a of the cooling water pipe is moved upward from the parallel portion at the highest position of the cooling water pipe 75 meandering downward from above at the upper end 71a of the radiator 71. It protrudes toward and is provided. One ends 72a, 73a, 74a of the cooling water pipe are connected to the upper header 77, respectively. Therefore, the upper header 77 is disposed at a position higher than the highest parallel portion of the meandering cooling water pipe 75.
[0042]
As a result, the following effects can be obtained. Air (gas) remains in the cooling water sent from the cooling water circulation path. This residual air passes through the highest parallel portion of the cooling water pipe 75 together with the cooling water. In the present invention, since the upper header 77 is located above the parallel portion at the highest position of the cooling water pipe 75 and above the one ends 72a, 73a, 74a of the cooling water pipe 75, the residual air flows easily. In other words, the residual air can smoothly return to the cooling water circulation path via the upper header 77 without remaining in this parallel portion of the cooling water pipe 75. Therefore, the heat radiation efficiency of the cooling water can be increased.
[0043]
A further feature of the present invention is that the lower header 78 and the upper header 77 have the same shape. More specifically, similarly to the upper header 77, the lower header 78 is provided with the other ends 72b, 73b, 74b of the cooling water pipe projecting upward at the lower end 71b of the radiator 71. The other ends 72b, 73b, 74b of the cooling water conduit are connected to the lower header 78, respectively.
[0044]
Since the shapes of the upper header 77 and the lower header 78 are equal, the same component can be used as the two headers (the upper header and the lower header) to be attached to the radiator 71 (common component), and component management becomes easy. Furthermore, only one type of header needs to be manufactured, so that equipment costs can be reduced.
[0045]
(Action)
Next, the operation of the Stirling refrigerator of the above embodiment will be described. The crankshaft 7 rotates in the forward direction by the motor 6, and the crank portions 12 and 13 in the crank chamber 5 rotate with a phase shift of 90 degrees. Via the connecting rods 8 and 9, the cross guide heads 10 and 11, the compression piston rod 21 and the expansion piston rod 27 connected to the crank parts 12 and 13, the compression piston 19 and the expansion piston 25 have a phase difference of 90 degrees from each other. Reciprocates with.
[0046]
While the expansion piston 25 moves slowly near the top dead center 90 degrees ahead, the compression piston 19 rapidly moves toward the top dead center near the middle to perform the operation of compressing the working gas. The compressed working gas flows through the communication hole 33 and the manifold 32, flows into the narrow groove 35 of the heat radiating heat exchanger 29, and radiates heat to the cooling water flowing through the heat radiating path 38. Further, the working gas is cooled by the cold stored in the regenerator 30 and flows into the low-temperature chamber 26 (expansion space) through the narrow groove 45.
[0047]
When the compression piston 19 is slowly moving near the top dead center, the expansion piston 25 moves rapidly toward the bottom dead center, and the working gas that has flowed into the low temperature chamber 26 (expansion space) expands rapidly to generate cold heat. appear. As a result, the head portion (called a cold head) 48 including the cooling heat exchanger 31 is cooled to a low temperature.
[0048]
Then, the cooling heat exchanger 31 cools the cold refrigerant for the cold utilization device in contact with the cooling fins 47. When the expansion piston 25 moves from the bottom dead center to the top dead center, the compression piston 19 moves from the intermediate position to the bottom dead center, and the working gas passes through the narrow groove 45 of the cooling heat exchanger from the low-temperature chamber 26 to the regenerator. The heat flowing into the regenerator 30 is stored in the regenerator 30. The cold stored in the regenerator 30 is reused to cool the working gas sent from the high-temperature chamber 20 through the heat-radiating heat exchanger 29 again as described above.
[0049]
The cold refrigerant cooled in the cooling heat exchanger is sent from the outflow pipe 64 to various cold heat utilization devices and used for cooling. For example, the cold refrigerant is sent to a cold refrigerant pipe in a cold utilization device such as a freezer, and performs freezing or cooling in the cold utilization device. Then, the heat is circulated from the cold heat utilization device to the cooling heat exchanger 31 through the inflow pipe 65, returned, and cooled again.
[0050]
The cooling water sent from the radiator (radiator) 71 through the cooling water circulation path flows into the heat radiation heat exchanger 38 from the inflow port 42 and passes through the heat radiation path 38 to cool the working gas. Further, the cooling water flows into the cooling water passage 40 and flows around the compression cylinder 17 and the expansion cylinder 18. As a result, the compression cylinder 17 and the expansion cylinder 18 formed inside the cylinder block 15 are cooled from the surroundings. Thereafter, the cooling water flows out of the outlet 43 and is cooled again in the radiator (radiator) 71 via the cooling water circulation path.
[0051]
That is, the cooling water sent to the cooling water circulation path connected from the outlet 43 flows to the lower header 78, the other ends 72b, 73b, 74b of the cooling water pipes, and further to the cooling water pipes 72, 73, 74. Then, the waste heat from the Stirling refrigerator is radiated into the atmosphere via the fins 76 to be cooled. In order to promote this heat radiation, a cooling fan (not shown) is installed near the radiator 71 to blow air. The cooled cooling water returns to the cooling water circulation path from one end 72a, 73a, 74a of the cooling water pipe and the upper header 107, and circulates again to the heat exchanger 29 for heat radiation.
[0052]
As described above, the embodiments of the radiator and the Stirling refrigerator using the radiator according to the present invention have been described based on the examples. However, the present invention is not particularly limited to such examples, and the present invention is not limited thereto. It goes without saying that there are various embodiments within the scope of technical matters.
[0053]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the radiator which concerns on this invention which has the above structure, and the Stirling refrigerator using the same, the radiation efficiency of cooling water can be improved, and equipment cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view illustrating an overall configuration of a Stirling refrigerator to which a radiator of the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram illustrating a main part of a Stirling refrigerator.
FIG. 3 is a right side view, partly in section, of the Stirling refrigerator.
FIG. 4 is a perspective view showing a radiator (radiator) of the present embodiment.
FIG. 5 is a perspective view showing a conventional radiator (radiator).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stirling refrigerator 2 Housing 3 Partition wall 4 Motor room 5 Crank room 6 Motor 7 Crank shaft 8, 9 Connecting rod 10, 11 Cross guide head 10 ', 11' Connecting pin 12, 13 Crank part 14 Seat part 15 Cylinder block 16 Bolt 17 Compression Cylinder 18 Expansion Cylinder 19 Compression Piston 20 Upper Space (Compression Space) High Temperature Chamber 21 Compression Piston Rod 22 Oil Seal Bellows 23 Inner Cylinder 24 Inner Cylinder 25 of Cooling Heat Exchanger Expansion Piston 26 Lower Temperature of Expansion Space (Expansion Space) Chamber 27 Expansion piston rod 28 Oil seal bellows 29 Heat exchanger for heat radiation (high temperature side heat exchanger)
30 Regenerator 31 Cooling heat exchanger (low-temperature heat exchanger)
32 Manifold (flow path for working gas)
33 Communication hole 34 Heat exchange housing for heat dissipation 35 Narrow groove for working gas flow path on inner surface of heat exchanger tube 36 Heat dissipating fin 37 Heat exchanger tube 38 Heat dissipating housing for heat dissipation Heat dissipating path between heat dissipating fins 39 Cover plate Reference Signs List 40 cooling water channel 41 inlet 42 cooling water inlet 43 to cooling water channel 43 cooling water channel outlet 44 cooling heat exchange housing 45 multiple narrow grooves 46 on the inner surface of cooling heat exchange housing working gas flow channel 47 cooling fin 48 buffer space (Buffer room)
49 Pipe 51 Buffer tank 71, 101 Radiator 71a, 101a Upper end 71b, 101b Lower end 72, 73, 74, 102, 103, 104 Individual cooling water pipes 72a, 73a, 74a, 102a, 103a, 104a Cooling water pipes One end 72b, 73b, 74b, 102b, 103b, 104b The other end 72c, 73c, 74c, 102c, 103c, 104c of the cooling water pipe Curved portion 75, 105 Cooling water pipe 76, 106 Fin 77, 107 Upper header 78, 108 Lower header
