JP2005249265A - スターリング冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒流動パイプや冷却側蒸発器にスターリング冷凍機の振動が繰り返し加わり、亀裂が生じたり疲労破壊したりする等の不具合が発生するのを低減したスターリング冷却庫を提供する。
【解決手段】 スターリング冷凍機の低温部２１に設けられた凝縮器３１と、スターリング冷却庫Ａの本体１内に設けられた蒸発器３２とが、冷媒流動パイプ３３にて連結されて成る二次冷媒循環回路３の冷媒流動パイプ３３および蒸発器３２をスターリング冷却庫Ａ本体１に対して可動支持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スターリング冷凍機を用いた冷却庫（冷蔵庫，冷凍庫，保冷庫等）に関するものである。

従来、冷蔵庫，冷凍庫等の冷凍サイクルには、一般に蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。作動ガスとしての冷媒にはＣＦＣ（Chlorofluorocarbon）系冷媒及びＨＣＦＣ（Hydro-chlorofluorocarbon）系冷媒が用いられ、その凝縮、蒸発を利用して所望の冷却性能を得ている。ところが、ＣＦＣ系冷媒は既に全廃されており、ＨＣＦＣ系冷媒もオゾン層保護の国際条約により使用が規制されている。また、新たに開発されたＨＦＣ（Hydrofluorocarbon）系の冷媒は、オゾン層を破壊しないが、地球温暖化係数が二酸化炭素の数百から数千倍以上という強力な温暖化物質であり、排出規制の対象となっている。

そこで、ＣＦＣ、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ系冷媒を作動冷媒とする蒸気圧縮式冷凍サイクルの代替として、逆スターリング冷凍サイクルが注目されている。前記逆スターリング冷凍サイクルはその作動ガスとして、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等の地球環境に悪影響を与えないガスを採用している。この逆スターリング冷凍サイクルを用いたスターリング冷凍機は、極低温レベルの寒冷を発生させることができる小型冷凍機の一つとして知られている。

前記スターリング冷凍機は、外部動力によりパワーピストン及びディスプレーサを作動させることによって作動媒体の圧縮・膨張を繰り返し、低温部から吸熱し、高温部から放熱を行う密閉サイクルである。前記スターリングサイクルのパワーピストン及びディスプレーサは、両部材を内部に納めるシリンダに該両部材とシリンダの間の隙間に高圧の作動ガスの薄膜を形成して摩擦を低減する、いわゆるガスベアリングで支持されている。

前記スターリング冷凍機は、その内部に設けられた内部熱交換器の形状と大きさにより、ウォームセクションと呼ばれる高温部とコールドヘッドと呼ばれる低温部を備えている。冷蔵庫の冷却システム装置としてスターリング冷凍機を用いる場合、前記低温部は表面積が小さいので、効率よく該低温部より冷熱を利用する場所への冷熱を搬送すること、及び、高温部から熱を環境雰囲気中に放出することが重要である。

前記スターリング冷凍機で発生した冷熱を冷蔵庫内へ搬送する方法として、前記コールドヘッドに冷却側凝縮器を取り付け、冷蔵庫内の冷却側蒸発器（冷却器）とを連結するように２本の冷媒流動パイプが取り付けられている。前記冷却側凝縮器、前記冷却側蒸発器及び冷媒流動パイプはループ状に接続されており、内部には前記スターリング冷凍機に封入された作動ガスとは異なるガスが冷媒として封入され、自然循環型の二次冷媒循環回路が形成されている。

前記自然循環型の二次冷媒循環回路は、前記スターリング冷凍機の前記コールドヘッドに取り付けられた凝縮器と冷蔵庫内の冷却側蒸発器とが２本の冷媒流動パイプで接続されている。前記二次冷媒が封入された二次冷媒循環回路は該二次冷媒の相変化を利用した自然循環型の循環構造になっている。

前記二次冷媒循環回路内の二次冷媒は、前記スターリング冷凍機のコールドヘッドに接触している冷却側凝縮器にて液化し、冷却側蒸発器に流動する。液化した二次冷媒は前記冷却側蒸発器に流入する。冷却側蒸発器に流入した液状の二次冷媒は該冷却側蒸発器を通過するときに外部と熱交換を行い蒸気へと変化する。蒸気となった二次冷媒は蒸気が上昇する現象と、前記冷却側凝縮器で蒸気が液化するときの体積変化による圧力差にて吸い上げられて上昇し前記凝縮器に流入する。前記凝縮器に流入した蒸気は前記スターリング冷凍機のコールドヘッドの冷熱と熱交換することで冷却され液体に変化する。このように二次冷媒を相変化させて対流させることで、スターリング冷凍機のコールドヘッドの冷熱を冷却側蒸発器に運搬することができる。

この二次冷媒循環回路は自然循環を利用しており、冷媒を強制循環させるための装置(循環ポンプ，圧縮機等)は不要であり、それだけ構成部品を減らすことができ、また、強制循環させるためのエネルギを削減することが可能である。
特開2002−221384号公報 特開2003−50073号公報

しかしながら、前記スターリング冷凍機は内部のピストン及びディスプレーサが往復運動することで内部に封入された冷媒を圧縮、膨張させて温熱、冷熱を取り出すものであり、該スターリング冷凍機自体少なからず振動する。

前記二次冷媒循環回路の冷媒流動パイプはスターリング冷凍機のコールドヘッドに設けられた凝縮器に取り付けられるとともに、前記冷却側蒸発器に接続されており、該スターリング冷凍機の振動が冷媒流動パイプに伝達されると共に、冷媒流動パイプを固定している冷蔵庫にも振動が伝播し冷蔵庫の箱鳴りや振動による冷媒流動パイプの破損等の不具合が発生する。

前記冷媒流動パイプの振動を吸収するために前記冷媒流動パイプを湾曲させて遊びを持たせる方法もあるが、パイプを流れる冷媒の配管抵抗が増大し、強制循環装置を持たない自然循環方式では二次冷媒の循環が悪くなり、場合によっては二次冷媒が循環しなくなる。

そこで本発明は、前記スターリング冷凍機にて発生する振動が前記スターリング冷却庫の本体に伝達されるのを低減し、それだけ、騒音が低いと共に振動による不具合が発生しにくいスターリング冷却庫を提供することを目的とする。

また本発明は、前記冷媒流動パイプや前記冷却側蒸発器に振動によって応力が集中し、亀裂が発生したり破壊したりする等の不具合の発生を低減し、それだけ、前記スターリング冷凍機で発生する冷熱を長期にわたり安定して、効率よく伝えることができるスターリング冷却庫を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために本発明は、スターリング冷凍機の低温部の冷熱を二次冷媒が循環する二次冷媒循環回路により搬送してなるスターリング冷却庫であって、前記二次冷媒循環回路は前記低温部に設けた凝縮器と、前記スターリング冷却庫の本体内に設けた蒸発器とが冷媒流動パイプにて連結され、前記二次冷媒循環回路が緩衝部材にて支持されていることを特徴とするスターリング冷却庫とする。

この構成によると、二次冷媒循環回路がスターリング冷却庫の本体に対して緩衝部材により動くように支持されているので、二次冷媒循環回路を構成する冷媒循環パイプ及び前記蒸発器がスターリング冷凍機の振動に対応して動く。

これにより、前記スターリング冷凍機の振動が低温部より前記冷媒循環パイプ及び前記蒸発器に伝播しても、冷媒循環パイプ及び蒸発器の接続部に応力が集中せず、亀裂が生じたり、疲労破壊しにくくなる。また、前記スターリング冷凍機の駆動による不具合が発生しにくいので前記スターリング冷凍機で発生する冷熱を長期にわたり安定して搬送することができる。

更に具体的には、前記二次冷媒循環回路は自然循環するように構成して成り、前記冷媒流動パイプはチューブ型断熱部材にて覆われており、前記本体は前記チューブ型断熱部材の外径よりも大きな貫通孔を有しており、前記スターリング冷凍機の低温部は前記貫通孔の上方に配置されており、前記凝縮器より下方に延びる前記冷媒流動パイプは該貫通孔を貫通しており、前記冷媒流動パイプが貫通した貫通孔はシール部材にてシールされており、前記貫通孔の下方にて前記冷媒流動パイプに接続された前記蒸発器は緩衝部材にて前記本体に支持されているスターリング冷却庫とする。

この構成によると、冷媒流動パイプが直線的に配設されて二次冷媒がサーモサイホン作用により効率よく自然循環する上、冷媒流動パイプがスターリング冷却庫の本体に対してシール材により動くように支持されているので、冷媒循環パイプがスターリング冷凍機の振動に対応して動き、スターリング冷凍機の振動が冷媒循環パイプに伝播しても、冷媒循環パイプに応力が集中せず、亀裂が生じたり、疲労破壊しにくくなる。

また前記緩衝部材およびシール部材は吸振性を有しているので、スターリング冷凍機の支持部材による吸振に対応した吸振効果が得られる。

また、スターリング冷凍機と二次冷媒循環回路とが同期振動するように支持することにより、スターリング冷凍機と二次冷媒循環回路とが同期して振動するので冷媒循環パイプ及び蒸発器の接続部に応力が集中せず、亀裂が生じたり、疲労破壊しにくくなる。

本発明によると、スターリング冷凍機の振動による冷媒循環パイプ及び蒸発器の亀裂や疲労破壊を防止できる。又、スターリング冷凍機の振動が前記スターリング冷却庫の本体に伝達されるのを低減し、騒音の低いスターリング冷却庫を提供することができる。

またスターリング冷凍機と二次冷媒循環回路とが同期振動するように支持することにより、冷媒循環パイプ及び蒸発器の接続部に亀裂や疲労破壊が生じない長寿命のスターリング冷却庫を提供することができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図１に本発明にかかるスターリング冷却庫の正面から見た断面図を示す。

図１に示すスターリング冷却庫Ａは、本体１と、スターリング冷凍機２と、スターリング冷凍機２で発生した冷熱を冷却庫内部に運搬する二次冷媒循環回路３と、スターリング冷凍機３で発生した熱を冷却庫外部に運搬する放熱側自然循環回路４とを有している。

本体１は物品を冷却するためのキャビネット１１と、スターリング冷凍機２を配置するための機械室１２とを有している。機械室１２はキャビネット１１の上部に設けられている。キャビネット１１内部と機械室１２は断熱壁１１１で仕切られている。スターリング冷凍機２は、機械室１２の床面（断熱壁１１１）に吸振性を有する支持部材１２１を介して配置されている。

スターリング冷凍機２は、低温ヘッド２１と高温ヘッド２２を有している。低温ヘッド２１には二次冷媒循環回路３が、高温ヘッド２２には放熱側自然循環回路４が取り付けられている。

図１に示すように二次冷媒循環回路３は冷却側凝縮器３１と、冷却側蒸発器３２及び冷媒流動パイプ３３とを有している。冷却側凝縮器３１はスターリング冷凍機２の低温ヘッド２１に接触配置されており、冷却側蒸発器３２は図示のとおり冷却側凝縮器３１の下方、キャビネット１１内部に緩衝部材３２１（ここでは４本のばね３２１）を介して配置されている。冷却側凝縮器３１及び冷却側蒸発器３２を２本の冷媒流動パイプ３３で直線状に連結することでループ型サーモサイホンを構成している。二次冷媒循環回路３には二次冷媒（それとは限定されないが、ここでは二酸化炭素）が充填されている。

スターリング冷凍機２の低温ヘッド２１に接触配置されている冷却側凝縮器３１では二次冷媒が低温ヘッド２１の冷熱にて冷却されて凝縮し液体又は略液体の状態になる。液化した二次冷媒は重力により冷媒流動パイプ３３内を流れて冷却側蒸発器３２に流入する。冷却側蒸発器３２に流入した二次冷媒は冷却側蒸発器３２で蒸発し、蒸発時の気化熱で周囲を冷却する。冷却側蒸発器３２より流出した二次冷媒は圧力差によって冷却側凝縮器３１に送られる。圧力差は冷却側凝縮器３１と冷却側蒸発器３２の高度差と、気体と液体の比重差によるものである。以上の動作を繰り返すことで、冷媒を循環させるための外部動力を用いることなくキャビネット１１内部へ冷熱を供給できる。また、キャビネット１１内部には冷却側蒸発器３２の周りの冷やされた空気を循環させるための循環ファン１１５が取り付けられている。循環ファン１１５を駆動してキャビネット１１内部の空気を循環させることでキャビネット１１内部が冷却される。

図２（Ａ）に図１に示すスターリング冷凍機の貫通孔の拡大水平断面図を、図２（Ｂ）に貫通孔の拡大垂直断面図を示す。スターリング冷凍機２の低温ヘッド２１の周囲は断熱部材で囲まれている。また、冷媒流動パイプ３３の表面はチューブ状断熱部材３３１で覆われている。断熱壁１１１にはチューブ状断熱材３３１の外径よりも大きな貫通孔１１２を有している。貫通孔１１２はそれには限定されないがここでは楕円筒状に形成されている。貫通孔１１２にはチューブ状断熱部材３３１を被覆した冷媒流動パイプ３３が貫通している。

貫通孔１１２の上方にはスターリング冷凍機２の低温ヘッド２１が位置しており、冷媒流動パイプ３３は貫通孔１１２を貫通している。また、冷却側凝縮器３１及び冷媒流動パイプ３３の一部は低温ヘッド断熱部材３４にて覆われている。低温ヘッド断熱部材３４は冷媒流動パイプ３３を貫通孔１１２の直前まで覆っている。

貫通孔１１２はシール部材１１３が取り付けられている。シール部材１１３は貫通孔１１２を気密に覆っている。シール部材１１３は断熱壁１１１の上部と低温ヘッド２１を覆っている低温ヘッド断熱部材３４との間も貫通孔１１２を囲むように気密に覆っている。シール部材１１３は冷媒流動パイプ３３を冷媒流動パイプ３３の移動にあわせて気密性を失わないように変形しつつ支持している。シール部材１１３は断熱性を有しており、貫通孔１１２、シール部材１１３、低温ヘッド断熱部材３４及びチューブ状断熱部材３３１とで空間１１４が形成されており、空間１１４内の空気も断熱層として作用する。

スターリング冷凍機２は動作の機構上、運転中に振動が発生する。スターリング冷凍機２は上述のように支持部材１２１を介して断熱壁１１１に配置されているので、スターリング冷凍機２で発生する振動が直接キャビネット１３に伝播するのを低減することができる。また、スターリング冷凍機２の動作時の振動は冷媒流動パイプ３３に伝播する。冷媒流動パイプ３３に伝播した振動は、冷媒流動パイプ３３と接続している冷却側蒸発器３２に伝播し冷却側蒸発器３２も振動する。

冷媒流動パイプ３３は振動しても、冷媒流動パイプ３３を被覆しているチューブ状断熱部材３３１と貫通孔１１２とは接触しにくく、またシール部材１１３に移動可能に支持されているので、貫通孔１１２及び冷却側凝縮器３１との接続部に応力が集中するのを低減でき、応力集中による亀裂や疲労破壊が発生するのを低減することができる。また、冷却側蒸発器３２が振動しても、冷却側蒸発器３３はキャビネット１１の壁面に４個のばね３２１で取り付けられており、振動による荷重を逃すことができるので、冷媒流動パイプ３３との接続部に応力が集中するのを低減することができる。これによって、冷却側蒸発器３２と冷媒流動パイプ３３との接続部に亀裂が発生したり破損したりしにくく、二次冷媒が漏れるのを防ぐことが可能である。

図１に示すように放熱側自然循環回路４は、放熱側蒸発器４１と、放熱側凝縮器４２及び配管４３とを有している。放熱側蒸発器４１はスターリング冷凍機２の高温部２２に接触配置されており、放熱側凝縮器４２は図１に示すとおり放熱側蒸発器４１の上部に配置される。放熱側蒸発器４１、放熱側凝縮器４２及び配管４３はループ型サーモサイホンを構成している。放熱側自然循環回路４の内部には冷媒（ここでは水）が充填されている。

放熱側蒸発器４１において、高温部２２で発生した温熱が冷媒に伝達される。そして、熱を吸収した冷媒は蒸発して配管４３を通じて放熱側凝縮器４２へと搬送され、放熱側凝縮器４２によって冷媒の熱が大気に放熱される。その後、放熱し、冷却された冷媒は液化して配管４３を通じて放熱側蒸発器４１に循環される。以上の動作を繰り返すことで、放熱側自然循環回路４はスターリング冷凍機２の高温部２２の温熱をスターリング冷却庫Ａの外部に放出する。放熱側自然循環回路４は図を見てもわかるように、スターリング冷凍機２の上部に配置されているので、スターリング冷凍機２が振動してもスターリング冷凍機２と共に動くので応力集中は発生しない。放熱側自然循環回路４には振動することで発生する応力集中による亀裂、疲労破壊等は発生しにくい。

図３に本発明にかかるスターリング冷却庫の他の例の断面図を示す。図３に示すスターリング冷却庫Ｂは冷却側蒸発器３２ｂの支持方法及びシール部材が異なる以外は図１に示すスターリング冷却庫Ａと同じであり、実質上同じ部分には同一の符号が付して説明する。

図３に示すスターリング冷却庫Ｂの冷却側蒸発器３２ｂはそれには限定されないがここでは４個の吸振性を有する複数の緩衝部材３２１ｂにてキャビネット１１内部の壁面に支持されている。緩衝部材３２１ｂは変形することで、外力によるエネルギを減衰させるものであり、一方の端部はキャビネット１１内部の壁面に固定されており、他方の端部は冷却側蒸発器３２ｂに固定されている。シール部材１１３ｂは吸振性を備えている。

スターリング冷凍機２はその動作の機構上振動する。動作時の振動は冷媒流動パイプ３３に伝播し、冷媒流動パイプ３３と接続している冷却側蒸発器３２ｂに伝播する。冷媒流動パイプ３３に伝播した振動はシール部材１１３ｂにて減衰され、冷却側蒸発器３２ｂに伝播した振動は４個の吸振性を有する緩衝部材３２１ｂにて減衰される。シール部材１１３ｂと緩衝部材３２１ｂがスターリング冷凍機２の支持部材１２１の吸振作用と対応した吸振効果を得ることができ、冷却側凝縮器３１と冷媒流動パイプ３３及び冷却側蒸発器３２ｂと冷媒流動パイプ３３との接続部に応力が集中するのを低減することができる。これによって、冷却側凝縮器３１と冷媒流動パイプ３３及び冷却側蒸発器３２ｂと冷媒流動パイプ３３との接続部に亀裂が発生したり破損したりしにくく、二次冷媒が漏れるのを防ぐことが可能である。

冷却側蒸発器３２ｂは大きく振動することなく略安定しており、循環ファン１１５による空気の循環経路内に安定して配置されるので、キャビネット１１内に効率よく、安定して冷却された空気を送ることができるので、キャビネット１１内部を常に安定して冷却することが可能である。

図４に本発明にかかるスターリング冷却庫の他の例の断面図を示す。図４に示すスターリング冷却庫Ｃは冷却側蒸発器３２ｃの支持方法が異なる以外は図１に示すスターリング冷却庫Ａと同じであり、実質上同じ部分には同一の符号が付して説明する。

図４に示すスターリング冷却庫Ｃの冷却側蒸発器３２ｃはそれには限定されないがここでは２本の緩衝部材３２１ｃにてキャビネット１１の壁面に吊り下げられている。緩衝部材３２１ｃは一方の端部がキャビネット１１の壁面に回動可能に支持されており、他方の端部が冷却側蒸発器３２ｃを回動可能に支持している。これにより、冷却側蒸発器３２ｃ外力を受けると揺動する。

スターリング冷凍機２はその動作の機構上振動し、動作時の振動は冷媒流動パイプ３３より冷却側蒸発器３２ｃに伝播する。冷却側蒸発器３２ｃが緩衝部材３２１ｃを利用して吊り下げられており、外力に対して強制力を受けない状態で支持されているので、冷却側蒸発器３２ｃは振動する。このときスターリング冷凍機２、冷媒流動パイプ３３及び冷却側蒸発器３２ｃが、同期して又は略同期して振動するので、冷却側凝縮器３１と冷媒流動パイプ３３及び冷媒流動パイプ３３と冷却側蒸発器３２ｃの接続部への応力集中を低減し、亀裂、疲労破壊等の不具合が発生するのを低減することができる。

以上に示した実施例では、冷却側蒸発器を支持する方法として、支持部材３２１、３２１ｂ、３２１ｃを利用するものを例示しているが、これらに限定されるものではなく、スターリング冷凍機の振動が冷却側蒸発器に伝播したときに、冷却側蒸発器及び冷媒流動パイプに応力集中が発生しないように、冷却側蒸発器を振動させて支持するものを広く採用することができる。

本発明にかかるスターリング冷却庫の正面側から見た断面図である。 図（Ａ）は図１に示すスターリング冷却庫の貫通孔の平面図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）に示す貫通孔の断面図である。 本発明にかかるスターリング冷却庫の他の例の正面側から見た断面図である。 本発明にかかるスターリング冷却庫のさらに他の例の正面側から見た断面図である。

符号の説明

Ａ、Ｂ、Ｃ スターリング冷却庫
１ 本体
１１ キャビネット
１１１ 断熱壁
１１２ 貫通孔
１１３ シール部材
１１４ 空間
１１５ 循環ファン
１２ 機械室
１２１ 支持部材
２ スターリング冷凍機
２１ 低温ヘッド
２２ 高温ヘッド
３ 二次冷媒循環回路
３１ 冷却側凝縮器
３２ 冷却側蒸発器
３２１、３２１ｂ、３２１ｃ 緩衝部材
３３ 冷媒流動パイプ
３３１ チューブ状断熱部材
３４ 低温ヘッド断熱部材
４ 放熱側自然循環回路
４１ 放熱側蒸発器
４２ 放熱側凝縮器
４３ 放熱回路

Claims (5)

1. スターリング冷凍機の低温部の冷熱を二次冷媒が循環する二次冷媒循環回路により搬送してなるスターリング冷却庫であって、
   前記二次冷媒循環回路は前記低温部に設けた凝縮器と、前記スターリング冷却庫の本体内に設けた蒸発器とが冷媒流動パイプにて連結され、
   前記二次冷媒循環回路が緩衝部材にて支持されていることを特徴とするスターリング冷却庫。
2. 前記二次冷媒循環回路は自然循環するように構成して成り、
   前記冷媒流動パイプはチューブ型断熱部材にて覆われており、
   前記本体は前記チューブ型断熱部材の外径よりも大きな貫通孔を有しており、
   前記スターリング冷凍機の低温部は前記貫通孔の上方に配置されており、前記凝縮器より下方に延びる前記冷媒流動パイプは該貫通孔を貫通しており、
   前記冷媒流動パイプが貫通した貫通孔はシール部材にてシールされており、
   前記貫通孔の下方にて前記冷媒流動パイプに接続された前記蒸発器は緩衝部材にて前記本体に支持されていることを特徴とする請求項１に記載のスターリング冷却庫。
3. 前記シール部材は緩衝性を有していることを特徴とする請求項２に記載のスターリング冷却庫。
4. 前記緩衝部材は吸振性を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のスターリング冷却庫。
5. スターリング冷凍機の低温部の冷熱を二次冷媒が循環する二次冷媒循環回路により搬送してなるスターリング冷却庫であって、
   前記二次冷媒循環回路は前記低温部に設けた凝縮器と、前記スターリング冷却庫の本体内に設けた蒸発器とが冷媒流動パイプにて連結され、
   前記スターリング冷凍機と前記二次冷媒循環回路とが同期振動するように支持されていることを特徴とするスターリング冷却庫。

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