【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却装置に関する発明であり、特に、食品流通、環境試験、医療、バイオ産業、半導体製造等の産業用又は家庭用機器等のあるゆる産業分野に使用できる、きわめて汎用性の高いスターリング冷凍機を使用したスターリング冷却装置の２次冷媒を循環させる冷却液回路に特徴を有する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、業務用、家庭用の冷熱関連機器の冷凍装置としては、フロン（単一、二元あるいは混合冷媒等）を冷媒として使用したシステムが知られている。そして地球環境問題を背景とした昨今のフロン規制に対しては、ＨＣＦＣ、ＨＦＣを使用した冷凍装置が知られている。
【０００３】
しかしながら、地球環境問題に対する国際的な取組みの本格化を背景として、今後、特定フロン及び代替フロンを含めフロン使用の一層の規制が求められる方向にあり、又、従来の冷媒としてフロンを使用した冷却装置は、そのシステムの特性から使用温度領域が狭く、特に、昨今の各産業分野における技術発展に伴い求められている超低温領域の実現には、さらなる開発が必要である。
【０００４】
これらの従来の冷却装置の問題を解決するために、フロンを使用せずに、従来の冷却装置より使用温度が広範囲で、従って、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として、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、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スターリング冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
ここで従来のスターリング冷凍機を利用した冷却装置６３の概要を図６で説明する。この冷却装置６３は、スターリング冷凍機６４を有し、スターリング冷凍機６４は冷却ヘッド６５を有する。冷却ヘッド６５には二次（冷熱）冷媒管路６６が接続されており、冷熱冷媒管路６６で送られてくる冷熱冷媒を冷却ヘッド６５で冷却する。
【０００６】
この冷熱冷媒管路６６の両端は、冷凍庫等の冷熱利用機器６７の冷熱冷媒配管に接続される。これによって、冷却ヘッド６５、冷熱冷媒管路６６及び冷熱利用機器６７から成る冷熱冷媒が循環する循環路が構成されている。
【０００７】
冷熱冷媒管路６６の途中には冷熱冷媒用ポンプ６８が配設されており、冷熱冷媒を冷熱冷媒管路６６中を循環させている。これにより、冷却ヘッド６５で冷却された冷熱冷媒は、冷熱冷媒管路６６によって、冷熱利用機器６７に送られる。
【０００８】
スターリング冷凍機６５は、その本体を構成するクランク室やモータ室を有するハウジング７０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）７１と膨張室（低温室）７２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７３（低温側熱交換器）及び放熱用熱交換器７４（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。
【０００９】
この放熱用熱交換器では外部の放熱器７５（ラジエータ）からの冷却水をホース７６で流入口から導入して放熱用熱交換器７４内に熱交換を行い、熱交換された冷却水を流出口からホース７６及び冷却水用ポンプ７７で放熱器７５へ送り出される。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１４６３４０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
スターリング冷凍機は、上述のとおり、その環境適合性、コンパクト性、高い成績係数及びエネルギー効率が着目され、家庭用及び産業用の各種の冷熱利用機器に適用可能であるが、特に、近年クリーンルーム内での半導体製造装置に適用に注目されている。
【００１２】
ところで、クリーンルームは、除塵のために必要な設備の維持コストが高く、クリーンルームのスペースの大きさに応じてかなり高くなる。よって、クリーンルーム内に設置される冷却装置のスペースも制限され、一層のコンパクト性が求められる。しかも放熱器を通過して冷却装置から送り出す空気の流れのための通風エリアのためのスペースも必要である。しかし、従来のスターリング冷凍機を利用した冷却装置は、特にこのような点迄は考慮されていなかった。
【００１３】
本発明は、このような従来のスターリング冷凍機を利用した冷却装置の問題を解決することを目的とし、スターリング冷凍機を利用した冷却装置を構成する各機器の配置を工夫することで、全体的に幅の狭い、コンパクトで、クリーンルームの空気の流れにも適合した冷却装置を実現するものである。
【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、冷凍機と、該冷凍機で冷熱が付与された冷熱冷媒を該冷凍機と冷熱冷熱利用機器の間を循環させる冷熱冷媒循環用の循環配管と、該循環配管の途中に設けた冷熱冷媒用ポンプとを備えた冷却装置において、上記冷凍機の放熱用熱交換器の入口と出口に、冷却水用の冷却水配管の途中に設けた冷却水用ポンプを介して放熱器が接続されており、上記放熱器の水熱交換器と、該放熱器のファンと、上記冷凍機と、上記冷熱冷媒用ポンプ及び上記冷却水用ポンプとを、冷却装置の前方から後方に向けて全体として直線的に配置されていることを特徴とする冷却装置を提供する。
【００１５】
上記冷熱冷媒用ポンプ及び上記冷却水用ポンプは、前後方向に対して左右に配置されている構成としてもよい。
【００１６】
上記冷熱冷媒用ポンプ及び上記冷却水用ポンプは、上下方向に重なるように配置されている構成としてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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。
【００１８】
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、半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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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の上部の間に取り付けられ、圧縮シリンダ１７とクランク室５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。
【００２２】
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。
【００２３】
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の上部の間に取り付けられ、膨張シリンダ１８とクランク室５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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
作動ガスは細溝３５を通り、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と通して放熱路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。
【００２８】
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４０と流出口４３は、後述する冷却水の循環配管５９及び冷却水用ポンプ６８を介して、冷却ファン５６を有する空冷の放熱器５４（ラジエータ）に接続されている。
【００２９】
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。
【００３０】
この冷却用熱交換器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。冷熱冷媒としては、空気、水、アルコール、ＨＦＥ、ＰＦＣ等が使用される。冷却用熱交換器と冷熱利用機器の間に冷熱冷媒用の循環配管が設けられており、この循環配管の途中に冷熱冷媒用ポンプが配置されている。この冷熱冷媒用ポンプにより冷熱冷媒は循環配管内を循環する。
【００３１】
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。
【００３２】
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。図１において、クランク室５を含むハウジング２内には作動ガスであるＨｅが充填されており、ハウジング２はバッファタンク５１を介してバッファ空間４８とほぼ同圧の状態で密閉されている。
【００３３】
本発明は、以上のような構成のスターリング冷凍機１を利用した冷却装置において、冷却装置を構成する各機器の配置構造を特徴とするものである。その実施態様を図４（ａ）で説明する。本発明の冷却装置５２では、冷却装置５２のケース５３内において、前部に放熱器５４（ラジエター）の水熱交換器５５とファン５６を配置し、その後方に冷凍機１を配置し、さらにその後方左に冷熱冷媒用ポンプ５７、後方右に冷却水用ポンプ５８を、全体として図４（ａ）中に左右方向に直線的に配置している。
【００３４】
そして、スターリング冷凍機１の放熱用熱交換器２９の流出口４３、冷却水用ポンプ５８、放熱器５４の水熱交換器５５及びスターリング冷凍機１が循環配管５９で接続されている。冷却水は、冷却水用ポンプ５８によって、循環配管５９を通して放熱用熱交換器２９と放熱器５４の間で矢印ａ方向に循環して流される。一方、冷熱冷媒は、冷熱冷媒用ポンプ５７によって、冷熱冷媒用管路５７’を通して冷却用熱交換器（低温側熱交換器）３１と冷熱利用機器（図示せず）との間を、矢印ｂ方向に循環して流される。
【００３５】
このような配置構造を採用した本発明に係る冷却装置５２では、その構成する機器を全体的に図４（ａ）中左右方向に直線方向に配置したので、冷却装置５２全体の横幅ｗが小さくなり、その設置面積が小さくて済む。例えば、冷却装置５２の横幅ｗが小さいと、後述するが、クリーンルーム内で冷却装置５２を利用する場合等では、クリーンルーム内での冷却装置５２の設置面積を小さくでき、クリーンルーム自体を小さくできるので、建設費、維持費のコスト低減ともなる。
【００３６】
そして、図４（ｂ）のクリーンルーム６０の空気の流れｓに沿うように冷却装置５２の前後方向（図４（ａ）、（ｂ）の左右方向）を揃えて配置することで、冷却装置を５２を通過する空気は、放熱器５４から後方左右に配置された冷熱冷媒用ポンプ５７及び冷却水用ポンプ５８方向に、一方向に流れるから、クリーンルーム６０内に設置する場合は、通風エリアとして冷却装置５２の前後方向（図４（ｂ）の左右方向）のスペースを空けておけばよく、側方は、クリーンルーム６０の壁６１に近接又は当接して配置してもよい。
【００３７】
図５（ａ）は、本発明に係るスターリング冷凍機を利用した冷却装置の各機器の配置構造の別の実施態様を示す平面図であり、図５（ｂ）は側面を示す図である。図５に示す冷却装置６２は、図４に示す冷却装置５２とほぼ同じであるが、異なる構成は次の通りである。即ち、図５に示す冷却装置６２では、冷却水用ポンプ５８の上方に冷熱冷媒用ポンプ５７を配置する２層構造を採用することで、上下方向のスペースを有効に活用するものである。
【００３８】
（作用）
次に、本発明の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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】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。
【００４３】
放熱器５４（ラジエータ）から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、放熱器５４において冷却ファン５６で冷却され、再度、放熱用熱交換器２９へ循環する。
【００４４】
バッファタンク５１は、バッファ空間４８とハウジング２を均等な圧力とし、バッファ空間４８内の圧力変動を吸収するとともに、ハウジング２内の圧力変動を吸収し、バッファ空間にその影響を及ぼさないような緩衝機能を有する。
【００４５】
ところで、本発明に係る冷却装置５２では、冷却装置のケース５３内において、前方に放熱器５４の水熱交換器５５とファン５６を配置し、その後方にスターリング冷凍機１を配置し、さらにその後方左に冷熱冷媒用ポンプ５７、後方右に冷却水用ポンプ５８を、冷却装置５２を構成する機器を全体として直線的に配置しているから、冷却装置５２全体の横幅ｗが小さくなり、その設置面積が小さくて済む。
【００４６】
図７はクリーンルーム６０内における冷却装置５２（チラー）の設置態様の一例を示す図である。クリーンルーム６０内において、二列の通路６０’、６０’の間のスペースに、冷却装置５２と冷熱利用機器の一例であるプローバ６９（半導体製造工程で利用される計測装置）の組合せが、複数左右方向に配列されている。冷却装置５２は、図７のように設置されるために、冷却装置５２の横幅ｗが小さいと設置面積が小さくなり、クリーンルーム内における冷却装置が占める面積が小さくなり、クリーンルーム自体の面積も小さくすることが可能であり建設コスト及びメインテナンスの価格を低くすることができる。
【００４７】
さらに、本発明に係る別の実施例である冷却装置６２（図５）では、後方に配置した冷熱冷媒用ポンプ５７及び冷却水用ポンプ５８を上下方向に２層に配置することで、上下方向のスペースをより一層、有効に活用することができるものである。
【００４８】
ファン５６により空気が前方に配置した放熱器５４に向けて流れ込み、冷却装置５２、６２内を前後方向に向けて流れ、後方に配置した冷熱冷媒用ポンプ５７及び冷却水用ポンプ５８の周囲を通過して冷却装置５２、６２の後方から流れ出る。
【００４９】
要するに、本発明に係る冷却装置５２、６２は、空気の流れは、冷却装置５２、６２の前後方向に一方向に流れることの可能な構造である。従って、この冷却装置５２、６２のケース５３の側面をクリーンルーム６０の壁６１に対して近接又は当接し配置し、壁６１の側方に対して冷却装置５２、６２の側方に通風エリアを設けずに設置することができる。
【００５０】
以上、本発明に係る冷却装置の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、上記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言うまでもない。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は以上のような構成であるから、冷却装置全体の横幅が小さくなり、その設置面積が小さくて済み、特に面積当たり維持費が高くなるクリーンルームに設置する冷却装置としては最適である。さらに、冷熱冷媒用ポンプ及び冷却水用ポンプを上下方向に２層に配置すれば、上下方向のスペースをより一層、有効に活用することができる。
【００５２】
又、前方に配置した放熱器から後方に配置した冷熱冷媒用ポンプ及び冷却水用ポンプに向けて一方向に流れることの可能な構造であるから、冷却装置のケース側面をクリーンルームの壁に対して近接又は当接し配置しても、即ちクリーンルームの壁の側方に対して冷却装置の側方に通風エリアを設けずに設置してもよいので、クリーンルーム内のスペースの有効利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷却装置に使用するスターリング冷凍機の全体構成を説明するための正面図である。
【図２】図１のスターリング冷凍機の要部を示す図である。
【図３】図１のスターリング冷凍機を説明する右側一部破断正面図である。
【図４】本発明に係る冷却装置の特徴的な構成を説明するための図である。
【図５】本発明に係る冷却装置の別の態様の特徴的な構成を説明するための図である。
【図６】従来例を説明するための図である。
【図７】本発明に係る冷却装置の利用例を説明するための平面図である。
【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
５２ 冷却装置
５３ 冷却装置のケース
５４ 放熱器（ラジエター）
５５ 水熱交換器
５６ ファン
５７ 冷熱冷媒用ポンプ
６８ 冷却水用ポンプ
５９ 循環配管
６０ クリーンルーム
６０’ クリーンルーム内の通路
６１ クリーンルームの壁
６２ 冷却装置
６３ 冷却装置
６４ スターリング冷凍機
６５ 冷却ヘッド
６６ 冷熱冷媒管路
６７ 冷熱利用機器
６８ 冷熱冷媒用ポンプ
６９ 冷熱利用機器の一例であるプローバ
７０ ハウジング
７１ 圧縮室（高温室）
７２ 膨張室（低温室）
７３ 冷却用熱交換器（低温側熱交換器）
７４ 放熱用熱交換器（高温側熱交換器）
７５ 放熱器
７６ ホース
７７ 冷却水用ポンプ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a cooling device, and in particular, is a highly versatile Stirling that can be used in any industrial field such as food distribution, environmental testing, medical care, bioindustry, semiconductor manufacturing, or any other industrial equipment. The present invention is characterized by a coolant circuit for circulating a secondary refrigerant of a Stirling cooling device using a refrigerator.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a refrigeration apparatus for commercial and domestic refrigeration related equipment, a system using chlorofluorocarbon (single, binary or mixed refrigerant) as a refrigerant is known. With respect to recent chlorofluorocarbon regulations against the background of global environmental problems, refrigeration systems using HCFC and HFC are known.
[0003]
However, with the full-fledged international efforts to address global environmental issues, further restrictions on the use of CFCs, including specific CFCs and alternative CFCs, are being required in the future. The operating temperature range of the device is narrow due to the characteristics of the system. In particular, further development is required to realize the ultra-low temperature range required with the recent technological development in various industrial fields.
[0004]
In order to solve the problems of these conventional cooling devices, without using chlorofluorocarbon, the operating temperature is wider than that of the conventional cooling devices, and therefore, it is possible to use commercial or household refrigeration such as freezers, refrigerators, and throw-in coolers. All industries such as low temperature liquid circulators, low temperature thermostats, constant temperature baths, heat shock testers, freeze dryers, temperature characteristics testers, blood / cell storage devices, cold coolers, and various other types of chillers There has been proposed a Stirling cooling device that is compact, has a high coefficient of performance, and has good energy efficiency, which can be applied to cold heat utilization equipment in the field (for example, see Patent Document 1).
[0005]
Here, an outline of a cooling device 63 using a conventional Stirling refrigerator will be described with reference to FIG. The cooling device 63 has a Stirling refrigerator 64, and the Stirling refrigerator 64 has a cooling head 65. A secondary (cold heat) refrigerant pipe 66 is connected to the cooling head 65, and the cold head sent through the cold refrigerant pipe 66 is cooled by the cooling head 65.
[0006]
Both ends of the cold refrigerant pipe 66 are connected to a cold refrigerant pipe of a cold utilization device 67 such as a freezer. Thus, a circulation path for circulating the cold refrigerant, which includes the cooling head 65, the cold refrigerant pipe 66, and the cold heat utilization device 67, is configured.
[0007]
A cold / hot refrigerant pump 68 is provided in the middle of the cold / hot refrigerant line 66, and circulates the cold / hot refrigerant through the cold / hot refrigerant line 66. Thus, the cold refrigerant cooled by the cooling head 65 is sent to the cold heat utilization device 67 through the cold refrigerant pipe 66.
[0008]
The Stirling refrigerating machine 65 has a working gas sealed in a housing 70 having a crank chamber and a motor chamber constituting the main body. On the other hand, the working gas flows between the compression chamber (high-temperature chamber) 71 and the expansion chamber (low-temperature chamber) 72, and a cooling heat exchanger 73 (low-temperature side heat exchanger) disposed along this flow path. The heat exchange between the cold refrigerant and the heat radiation refrigerant is performed by the heat radiation heat exchanger 74 (high-temperature heat exchanger), respectively.
[0009]
In this heat radiating heat exchanger, cooling water from an external radiator 75 (radiator) is introduced from an inlet through a hose 76 to perform heat exchange in the heat radiating heat exchanger 74, and the heat-exchanged cooling water is flowed. From the outlet, it is sent to the radiator 75 by the hose 76 and the cooling water pump 77.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2000-146340 A
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the Stirling refrigerator is noted for its environmental compatibility, compactness, high coefficient of performance, and energy efficiency, and can be applied to various types of home and industrial refrigeration equipment. Attention has been focused on application to semiconductor manufacturing equipment.
[0012]
By the way, in a clean room, the maintenance cost of equipment required for dust removal is high, and it becomes considerably high according to the size of the space in the clean room. Therefore, the space for the cooling device installed in the clean room is limited, and further compactness is required. In addition, a space is required for a ventilation area for the flow of air sent from the cooling device through the radiator. However, the cooling device using the conventional Stirling refrigerator has not been particularly considered up to this point.
[0013]
An object of the present invention is to solve such a problem of the conventional cooling device using the Stirling refrigerator, and by devising the arrangement of each device constituting the cooling device using the Stirling refrigerator, the overall configuration is improved. The present invention realizes a cooling device that is narrow, compact, and adapted to the flow of air in a clean room.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to solve the above-described problems, a refrigerator, a circulating pipe for circulating a refrigerated refrigerant that circulates a refrigerated refrigerant to which refrigeration is applied by the refrigeration machine between the refrigerator and the refrigerated cold energy utilization device, A cooling water pump provided in the middle of a cooling water pipe for cooling water at an inlet and an outlet of a heat exchanger for radiating heat of the refrigerator; A radiator is connected via a radiator, a water heat exchanger of the radiator, a fan of the radiator, the refrigerator, the pump for the cold refrigerant and the pump for the cooling water, A cooling device characterized by being linearly arranged as a whole from the front to the rear.
[0015]
The pump for cooling / cooling refrigerant and the pump for cooling water may be arranged left and right with respect to the front-back direction.
[0016]
The pump for cold cooling and the pump for cooling water may be arranged so as to be overlapped in the vertical direction.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
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.
[0018]
The housing 2 formed of a casting of the Stirling refrigerator 1 is filled with He, is held in a semi-hermetic state, and has a motor chamber 4 and a crank chamber 5 communicating 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.
[0019]
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.
[0020]
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.
[0021]
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.
[0022]
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.
[0023]
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, seals between the expansion cylinder 18 and the crank chamber 5 and prevents 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.
[0024]
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.
[0025]
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.
[0026]
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.
[0027]
The working gas passes through the narrow groove 35, and the cooling water flows through the heat radiating path 38 between the heat radiating heat exchange housing 34 and the heat radiating fins 36, whereby the 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 communicates with the heat radiation passage 38 through the inlet 41 and is formed so as to surround the compression cylinder 17 and the expansion cylinder 18.
[0028]
A cooling water inlet 42 is provided in the heat radiation path 38, an outlet 43 is provided in the cooling water path 40, and a cooling water circulation pipe 59 and a cooling water pump which will be described later are connected to the inlet 40 and the outlet 43. An air-cooled radiator 54 (radiator) having a cooling fan 56 is connected via 68.
[0029]
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.
[0030]
The cooling heat exchanger 31 cools the cold refrigerant of the cold heat utilization device using the cold heat of the Stirling refrigerator of the present invention. As the cold refrigerant, air, water, alcohol, HFE, PFC, or the like is used. A circulating pipe for the cryogenic refrigerant is provided between the cooling heat exchanger and the chilled heat utilization device, and a cryogenic refrigerant pump is arranged in the middle of the circulating pipe. The cold coolant circulates through the circulation pipe by the cold coolant pump.
[0031]
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.
[0032]
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. In FIG. 1, the housing 2 including the crank chamber 5 is filled with He, which is a working gas, and the housing 2 is hermetically sealed with a buffer tank 51 at substantially the same pressure as the buffer space 48.
[0033]
The present invention, in a cooling device using the Stirling refrigerator 1 configured as described above, is characterized by an arrangement structure of each device constituting the cooling device. The embodiment will be described with reference to FIG. In the cooling device 52 of the present invention, in the case 53 of the cooling device 52, the water heat exchanger 55 and the fan 56 of the radiator 54 (radiator) are arranged at the front, and the refrigerator 1 is arranged at the rear thereof. A pump 57 for cooling / cooling refrigerant is provided on the rear left side, and a pump 58 for cooling water is provided on the rear right side as a whole in a straight line in the left-right direction in FIG.
[0034]
The outlet 43 of the heat exchanger 29 for heat radiation of the Stirling refrigerator 1, the pump 58 for cooling water, the water heat exchanger 55 of the radiator 54, and the Stirling refrigerator 1 are connected by a circulation pipe 59. The cooling water is circulated and circulated in the direction of arrow a between the heat radiating heat exchanger 29 and the radiator 54 through the circulation pipe 59 by the cooling water pump 58. On the other hand, the cryogenic refrigerant flows between the refrigeration heat exchanger (low-temperature side heat exchanger) 31 and the refrigeration equipment (not shown) by the refrigeration refrigerant pump 57 through the refrigeration refrigerant pipe 57 ′. It is circulated and flowed in the direction
[0035]
In the cooling device 52 according to the present invention adopting such an arrangement structure, since the components constituting the cooling device 52 are entirely arranged in a straight line in the left-right direction in FIG. 4A, the overall width w of the cooling device 52 is small. Therefore, the installation area is small. For example, when the width w of the cooling device 52 is small, which will be described later, when the cooling device 52 is used in a clean room, the installation area of the cooling device 52 in the clean room can be reduced, and the clean room itself can be reduced. It also reduces construction and maintenance costs.
[0036]
The cooling device 52 is arranged in the front-rear direction (the left-right direction in FIGS. 4A and 4B) so as to follow the air flow s of the clean room 60 in FIG. The air passing through 52 flows in one direction from the radiator 54 toward the cooling / cooling refrigerant pump 57 and the cooling water pump 58 disposed on the left and right sides of the radiator 54. Therefore, when installed in the clean room 60, the air is cooled as a ventilation area. A space in the front-rear direction (the left-right direction in FIG. 4B) of the device 52 may be left, and the side may be arranged close to or in contact with the wall 61 of the clean room 60.
[0037]
FIG. 5A is a plan view showing another embodiment of the arrangement structure of each device of the cooling device using the Stirling refrigerator according to the present invention, and FIG. 5B is a diagram showing a side view. The cooling device 62 shown in FIG. 5 is almost the same as the cooling device 52 shown in FIG. 4, but the different configuration is as follows. That is, the cooling device 62 shown in FIG. 5 employs a two-layer structure in which the cooling / cooling refrigerant pump 57 is disposed above the cooling water pump 58, thereby effectively utilizing the space in the vertical direction.
[0038]
(Action)
Next, the operation of the Stirling refrigerator of the embodiment of the present invention will be described. The crankshaft 7 is rotated 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.
[0039]
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.
[0040]
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.
[0041]
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.
Then, 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.
[0043]
The cooling water sent from the radiator 54 (radiator) flows into the heat-dissipating heat exchanger 38 from the inflow port 42 and passes through the heat-dissipating 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, is cooled by the cooling fan 56 in the radiator 54, and circulates again to the heat exchanger 29 for heat radiation.
[0044]
The buffer tank 51 makes the buffer space 48 and the housing 2 equal pressures, absorbs the pressure fluctuations in the buffer space 48, absorbs the pressure fluctuations in the housing 2, and does not affect the buffer space. Has functions.
[0045]
By the way, in the cooling device 52 according to the present invention, in the case 53 of the cooling device, the water heat exchanger 55 and the fan 56 of the radiator 54 are arranged in front, and the Stirling refrigerator 1 is arranged behind it, and further thereafter. The pumps 57 for cooling / cooling refrigerant on the left side and the pumps 58 for cooling water on the rear right side are arranged linearly as a whole of the devices constituting the cooling device 52. Therefore, the lateral width w of the cooling device 52 as a whole is reduced. The installation area is small.
[0046]
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an installation mode of the cooling device 52 (chiller) in the clean room 60. In the space between the two rows of passages 60 ′, 60 ′ in the clean room 60, a plurality of combinations of the cooling device 52 and a prober 69 (a measuring device used in the semiconductor manufacturing process), which is an example of a cold heat utilization device, are provided. It is arranged in the direction. Since the cooling device 52 is installed as shown in FIG. 7, if the width w of the cooling device 52 is small, the installation area is small, the area occupied by the cooling device in the clean room is small, and the area of the clean room itself is also small. And construction costs and maintenance costs can be reduced.
[0047]
Further, in the cooling device 62 (FIG. 5) which is another embodiment according to the present invention, the cooling / cooling refrigerant pump 57 and the cooling water pump 58 arranged at the rear are vertically arranged in two layers, so that the cooling device pump 57 and the cooling water pump 58 are arranged vertically. Space can be utilized even more effectively.
[0048]
The air flows into the radiator 54 disposed in front by the fan 56, flows in the cooling devices 52 and 62 in the front-rear direction, and passes around the pump 57 for cooling and cooling water and the pump 58 for cooling water disposed behind. Then, it flows out from the rear of the cooling devices 52 and 62.
[0049]
In short, the cooling devices 52 and 62 according to the present invention have a structure in which the flow of air can flow in one direction in the front-back direction of the cooling devices 52 and 62. Therefore, the side surfaces of the case 53 of the cooling devices 52 and 62 are arranged close to or in contact with the wall 61 of the clean room 60, and a ventilation area is provided on the side of the cooling devices 52 and 62 with respect to the side of the wall 61. It can be installed without.
[0050]
As described above, the embodiments of the cooling device according to the present invention have been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made within the technical scope described in the claims. It goes without saying that there are various embodiments.
[0051]
【The invention's effect】
Since the present invention has the above-described configuration, the width of the entire cooling device is reduced, and the installation area is small. In particular, the cooling device is most suitable as a cooling device installed in a clean room where the maintenance cost per area is high. Further, when the cooling / cooling refrigerant pump and the cooling water pump are arranged in two layers in the vertical direction, the space in the vertical direction can be more effectively utilized.
[0052]
In addition, since it is a structure that can flow in one direction from the radiator arranged in front to the pump for cooling and cooling refrigerant and the pump for cooling water arranged in the rear, the side surface of the case of the cooling device with respect to the wall of the clean room. Since it may be disposed close to or in contact with the cooling device, that is, without providing a ventilation area on the side of the cooling device with respect to the side of the wall of the clean room, the space in the clean room can be effectively used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view for explaining the overall configuration of a Stirling refrigerator used for a cooling device according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing a main part of the Stirling refrigerator of FIG. 1;
FIG. 3 is a partially cutaway front view of the right side illustrating the Stirling refrigerator of FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram for explaining a characteristic configuration of the cooling device according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining a characteristic configuration of another embodiment of the cooling device according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining a conventional example.
FIG. 7 is a plan view for explaining an example of using a cooling device according to the present invention.
[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' Connection 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 Cooling Heat Exchanger Inner Cylinder 25 Expansion Piston 26 Upper 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 52 cooling device 53 cooling device case 54 radiator
55 Water heat exchanger 56 Fan 57 Cooling / cooling pump 68 Cooling water pump 59 Circulation pipe 60 Clean room 60 ′ Passage in a clean room 61 Clean room wall 62 Cooling unit 63 Cooling unit 64 Stirling refrigerator 65 Cooling head 66 Cooling coolant line 67 Cold Energy Utilization Device 68 Cold Energy Refrigerant Pump 69 Prober 70 as an Example of Cold Energy Utilization Device Housing 71 Compression Chamber (High Temperature Chamber)
72 Expansion chamber (low temperature chamber)
73 Cooling heat exchanger (low-temperature heat exchanger)
74 Heat Exchanger for Heat Dissipation (High Temperature Heat Exchanger)
75 radiator 76 hose 77 cooling water pump
