JP2006057872A - フリーピストン型スターリング冷凍機モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 さまざまな応用機器への取付が可能な冷却効率の良いフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールがない。
【解決手段】 フリーピストン型スターリング冷凍機１の冷却部を突出させた状態でこのフリーピストン型スターリング冷凍機１を内部で保持するケーシング１０を設け、このケーシング１０内にフリーピストン型スターリング冷凍機１を保持した状態で排熱部５の位置のケーシング１０に吸気口１８を設け、この吸気口１８に排熱部５の熱を放熱するための排熱用フィン１５を設け、この排熱用フィン１５から機構部４を挟んだ方向のケーシング１０に複数の排気口１９，２０を設け、排気口１９に着脱可能な排気装置２１を設け、他の排気口２０を着脱可能な蓋部材２４で閉鎖する。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、フリーピストン型スターリング冷凍機をさまざまな機器に取付けることができるようにしたフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールに関する。

従来より、さまざまな分野において冷凍機が用いられているが、近年、オゾン層保護のためにフロン等を用いるコンプレッサ型冷凍機に代えてスターリング冷凍機が増えている。このスターリング冷凍機は、外部動力によって駆動されるピストンと、このピストンと同一のシリンダ内でピストンを所定の位相差で維持して反復運動させられるディスプレイサーとによって作動ガスを膨張、圧縮させ、それを繰り返すことによって吸熱（冷却）、排熱を行う密閉サイクルである。ディスプレイサーの部分が膨張部であり冷却部となる。このディスプレイサーとピストンとの間が圧縮部となり排熱部となる。

このようなスターリング冷凍機を貯蔵庫等の応用機器に用いる従来技術として、応用機器に設けられた貯蔵室の側部の空間にスターリング冷凍機を配置し、そのスターリング冷凍機の冷却部と貯蔵室とを熱的に接続して貯蔵室を冷却するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。この例では、スターリング冷凍機の排熱部に放熱器を取付けて排熱を促進している。この場合、スターリング冷凍機を配置した貯蔵室の側部の空間から排気できるように排気用ファンが設けられ、この排気用ファンで前記排熱部に取付けた放熱器に風を当てることで排熱を促進することとなる。
特開２００２−１３８８５号公報（第３−９頁、図２）

しかしながら、前記特許文献１の場合、個々の応用機器に応じて製造工程で前記スターリング冷凍機を前記空間に配置して固定するとともに、その空間から排気できるように排気用ファンを取付けることとなる。そのため、組立ての工数が多く、組立てが複雑になり、時間や労力及びコストを必要とする。

また、応用機器へスターリング冷凍機を取付ける構成は、通常、応用機器毎の設定となっており、特許文献１のように、専用の取付け金具を用いて応用機器へ取付けられているので、その組立て効率は悪い。さらに、スターリング冷凍機で発生する振動が、直接、応用機器へ伝わって応用機器が振動する場合もある。

しかも、前記したように、スターリング冷凍機を配置する空間に直接排気用ファンを設けた場合、この排気用ファンは前記放熱器を通過した空気以外の空気も排気しなければならず、排熱効率が悪くなる。これにより、スターリング冷凍機の冷却効率を低下させる場合がある。

また、このようなスターリング冷凍機を用いる機器にはさまざまな応用機器（例えば、持ち運び可能なポータブル冷凍機等）があり、前記したような排熱処理は応用機器の内部空間に応じて決定しなければならない。

しかも、このようなスターリング冷凍機の取付姿勢は、スターリング冷凍機で冷却したい対象の位置や、応用機器の内部空間などにより制限される。例えば、前記特許文献１のようにスターリング冷凍機を縦向きの状態で配置する場合もあれば、スターリング冷凍機を横向きに寝かせた状態や縦向きで上下逆向きにした状態で設置したい応用機器もある。

その上、前記排気用ファンは、通常、応用機器の側面部又は底部、もしくは上部に取付けられるが、この取付位置も応用機器の構成に応じて決まる。

このように、応用機器の構造による制限によって、フリーピストン型スターリング冷凍機を設けるための構成は応用機器毎に個別対応しているのが現状である。

そこで、本願発明は、さまざまな応用機器への取付が可能な冷却効率の良いフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本願発明は、冷却部と排熱部と機構部とを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機を用いたフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールであって、前記フリーピストン型スターリング冷凍機の冷却部を突出させた状態で該フリーピストン型スターリング冷凍機を内部で保持するケーシングを設け、該ケーシング内にフリーピストン型スターリング冷凍機を保持した状態で前記排熱部の位置のケーシングに吸気口を設け、該吸気口に前記排熱部の熱を放熱するための排熱用フィンを設け、該排熱用フィンから前記機構部を挟んだ方向のケーシングに複数の排気口を設け、該排気口の少なくとも１箇所に着脱可能な排気装置を設け、該排気装置を設けた排気口以外の排気口を着脱可能な蓋部材で閉鎖している。前記「排熱用フィンから前記機構部を挟んだ方向のケーシング」とは、縦長のスターリング冷凍機の排熱部を備えた首部３の反対側のケーシングを意味し、図示するスターリング冷凍機の下方向のケーシングをいう。

また、このフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールにおいて、前記フリーピストン型スターリング冷凍機の振動を吸収してケーシングに保持するための懸架機構を設け、該懸架機構に前記吸気口から排気装置に流れる冷却気体が機構部に沿って流れるように整流する保持環を設けるとともに、前記ケーシングの外面に、該ケーシングを応用機器に取付けるための取付ベースを設けてもよい。

さらに、このフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールにおいて、前記ケーシングの軸心に対し、前記排気口と取付ベースとをほぼ９０度異なる方向に設けてもよい。

本願発明は、以上説明したような手段により、複数の排気口の少なくとも１箇所に排気装置を設けて他を閉鎖することによって、冷凍機モジュールの配置方向や位置に応じて効率良く冷却できる状態で配置することが可能となる。

以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の一実施形態に係るフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールの縦断面図である。この図では、フリーピストン型スターリング冷凍機を縦向き配置としている。

図示するように、フリーピストン型スターリング冷凍機１は、ボトル形状に形成された筐体２を有し、この筐体２は図示する上部の首部３と下部の胴部４とを備えている。この胴部４が、内部に駆動機構が設けられた機構部である（以下、「機構部４」という。）。また、前記首部３の基部が、内部の気体が圧縮されて高温になる排熱部５、首部３の先端が、内部の気体が膨張して低温になる冷却部６となっている。

さらに、前記機構部４の外周部にはフリーピストン型スターリング冷凍機１と同軸上に保持環７が設けられている。この保持環７は、機構部４の外周部で気体の整流も図っている。保持環７の外周部には、保持筒８が設けられている。前記保持環７は、ナット９によってスターリング冷凍機１に固定されている。前記保持筒８は、フリーピストン型スターリング冷凍機１を内部で保持するケーシング１０に固定されている。

これら保持環７と保持筒８の間には、上下一対の取付部１１，１２が設けられており、これらの取付部１１，１２には引張コイルバネ１３が架け渡されている。これらの取付部１１，１２とコイルバネ１３とは、周方向の３箇所に設けられており、これらでスターリング冷凍機１をケーシング１０で保持する懸架機構１４が構成されている。しかも、このように、スターリング冷凍機１に固定された保持環７を引張コイルバネ１３を介してケーシング１０に固定された保持筒８で保持することにより、スターリング冷凍機１の振動が外部へ伝わらないようにしている。

また、前記スターリング冷凍機１の排熱部５の外周には、排熱用フィン１５が嵌め込まれている。この排熱用フィン１５は、排熱部５から熱が伝わりやすいように熱伝導率の高いものが用いられる。この排熱用フィンの外周部には、円筒状の排熱用フィンカバー１６が設けられている。この排熱用フィンカバー１６によって、排熱用フィン１５とケーシング１０との間が塞がれている。

図２は図１に示すフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールのケーシングと排気装置とを示す斜視図であり、図３は同フリーピストン型スターリング冷凍機モジュールのケーシングと蓋部材とを示す斜視図である。

これらの図と前記図１に示すように、前記ケーシング１０は、スターリング冷凍機１の軸方向に分割された２つのケーシング部材１０Ａ，１０Ｂによって構成されている。これらのケーシング部材１０Ａ，１０Ｂを、図２，３に示すようにボルト１７によって連結することにより、一体的な筒状のケーシング１０が形成される。

一体的に連結されたケーシング１０には、フリーピストン型スターリング冷凍機１の冷却部６を突出させた状態で前記したようにスターリング冷凍機１を内部で保持できるように構成されている。このケーシング１０には、ケーシング１０内にスターリング冷凍機１を保持した時に、このスターリング冷凍機１の排熱部５が位置する部分（図の上部）で開口する吸気口１８が設けられている。この吸気口１８の位置に、前記排熱部５の熱を放熱するための前記排熱用フィン１５が位置している。また、この吸気口１８は排熱用フィン１５の外形よりも大きな円形に形成されており、排熱用フィン１５の全面に吸気口１８から冷却気体が流れるように構成されている。

また、排熱用フィン１５から前記機構部４を挟んだ方向のケーシング１０には、複数の排気口１９，２０が設けられている。この例では２個の排気口１９，２０が設けられている。この機構部４を挟んだ方向とは、スターリング冷凍機１の排熱部５の反対側を意味し、縦長の冷凍機１における首部３の反対側の広い範囲（図１の下部）をいう。この例では、ケーシング１０の吸気口１８の対向する面（底面）と、一側面に１個が設けられている。この例では２個の排気口１９，２０を設けているが、更に他の面に設けてもよい。

そして、これらの排気口１９，２０の内の１箇所である排気口１９に排気装置２１が設けられている。この排気装置２１は内部に排気用ファン２２を備えたものであり、ケーシング１０内部から外部に向けて排気するように構成されている。また、排気口１９，２０には、この排気装置２１を着脱可能に固定するための取付ボルト穴２３が設けられている。この取付ボルト穴２３内には、ナットが埋め込まれている。この排気装置２１は、複数設けられた排気口１９，２０の少なくとも１箇所に設けられていればよい。なお、フリーピストン型スターリング冷凍機１の使用条件によっては、排気装置２１を複数箇所に設けてより大量の排気を行うように構成してもよい。

また、排気装置２１が設けられていない排気口２０は蓋部材２４によって塞がれている。このように、排気装置２１を設けた排気口１９以外の排気口２０を蓋部材２４で閉鎖することにより、吸気口１８から排気口１９への流れが定まって効率良く排熱用フィン１５、すなわち排熱部５と機構部４とを冷却することができるようにしている。

このように、前記ケーシング１０内にフリーピストン型スターリング冷凍機１を保持することにより、排気装置２１によって排熱用フィン１５と機構部４とが効率良く冷却できるフリーピストン型スターリング冷凍機モジュール２５を構成している。

一方、ケーシング１０の外面には、このケーシング１０の側面を応用機器に固定するための取付ベース２６が設けられている。この取付ベース２６は、ケーシング１０を直接応用機器等に固定するための脚部２７と、このケーシング１０を後述するブラケット２９等で応用機器に固定するための平面部２８とが設けられている。これらの取付ベース２６は、ケーシング１０の軸心に対して対向する位置に設けられている。

また、ケーシング１０の軸心に対し、この取付ベース２６を前記排気口１９とほぼ９０度異なる方向に設けることにより、これらの取付ベース２６でケーシング１０を固定したときに排気口１９が固定面と９０度異なる方向を向くようにしている。これにより、この排気口１９に設けた排気装置２１から空間に向けて排気できるようにしている。

さらに、これらの脚部２７と平面部２８とには、応用機器側等からボルトで固定するための取付ボルト穴３０が設けられている。この取付ボルト穴３０内にはナットが埋め込まれており、応用機器の外部からでもフリーピストン型スターリング冷凍機モジュール２５を容易に固定できるようにしている。

図４は図１に示すフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールにおける冷却気体の流れを示す図面であり、(a) は図２に示す構成時の気体の流れを示す側面図、(b) は図３に示す構成時の気体の流れを示す側面図である。矢印が気体の流れを示している。

図４(a) に示すように、前記図２のようにケーシング１０の側部に設けられた排気口１９に排気装置２１を設けた場合、この排気装置２１によってケーシング１０内を排気することによって排熱用フィン１５側の吸気口１８から気体がケーシング１０内に吸込まれ、この気体によって排熱用フィン１５が冷却されるとともに、スターリング冷凍機１の機構部４が冷却されて排気装置２１から排出される。

また、図４(b) に示すように、前記図３のようにケーシング１０の底部に設けた排気口２０に排気装置２１を設けた場合も、この排気装置２１によってケーシング１０内を排気することによって排熱用フィン１５側の吸気口１８から冷却気体がケーシング１０内に吸込まれ、この冷却気体によって排熱用フィン１５が冷却されるとともに、スターリング冷凍機１の機構部４が冷却されて排気装置２１から排出される。しかも、スターリング冷凍機１を保持している保持環７によって冷却気体が整流されるので、この点でも効率良く冷却される。

図５は図１に示すフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールを縦向きに取付ける場合の図面であり、(a) は側面図、(b) は排気装置側から見た側面図である。図６は同フリーピストン型スターリング冷凍機モジュールを横向きに取付ける場合の側面図であり、図７は同フリーピストン型スターリング冷凍機モジュールを縦向きで上下逆方向に取付ける場合の側面図である。以上のように構成されたフリーピストン型スターリング冷凍機モジュール２５を応用機器に取付ける例を、以下に説明する。

図５(a),(b) に示すように、フリーピストン型スターリング冷凍機モジュール２５を縦向きに取付ける場合には、Ｌ型のブラケット２９の一方をケーシング１０に形成された平面部２８の取付ボルト穴３０にボルト３１で固定し、他方を応用機器３２にボルト３３で固定することにより、ケーシング１０を応用機器３２から浮かせた状態で安定して取付けることができる。図の例では応用機器３２の排気口３４が側面に設けられているため、ケーシング１０の側面に設けた排気口１９に排気装置２１を設けることにより、縦向きで取付けたフリーピストン型スターリング冷凍機１を冷却効率良く運転することができる。

また、図６に示すように、フリーピストン型スターリング冷凍機モジュール２５を横向きに取付ける場合には、ケーシング１０に形成された取付ベース２６の取付ボルト穴３０を応用機器３５にボルト３１で固定することにより、ケーシング１０を応用機器３５に安定して取付けることができる。図の例では応用機器３５の排気口３６が側面に設けられているため、ケーシング１０の底面に設けた排気口２０に排気装置２１を設けることにより、横向きで取付けたフリーピストン型スターリング冷凍機１を冷却効率良く運転することができる。

さらに、図７に示すように、フリーピストン型スターリング冷凍機モジュール２５を縦向きで上下逆方向に取付ける場合には、一方が長いＬ型のブラケット２９を用い、この長い一方をケーシング１０に形成された取付ベース２６にボルト３１で固定し、他方を応用機器３７にボルト３３で固定することにより、スターリング冷凍機１の冷却部６を応用機器３７から浮かせた状態で安定して取付けることができる。図の例ではケーシング１０の側面に設けた排気口１９に排気装置２１を設けることにより、縦向きで上下逆方向に取付けたフリーピストン型スターリング冷凍機１を冷却効率良く運転することができる。この例の場合、図示しない応用機器の壁面に排気装置２１からの排気を排出する開口が設けられている。

このように、前記フリーピストン型スターリング冷凍機モジュール２５によれば、さまざまな応用機器３２，３５，３７に適した取付姿勢で取付けることが簡単にできるとともに、排気処理を効率的に行うことができる。

また、応用機器３２，３５，３７へどのような姿勢で取付けたとしても、ケーシング１０内に設けられた懸架機構１４によってスターリング冷凍機１の振動を吸収して安定した運転が可能である。

しかも、吸気口１８から吸込まれて排熱用フィン１５の全面を冷却した気体は筒状の保持環７に沿って排気口１９（２０）へとスムーズに流れるので、フリーピストン型スターリング冷凍機１の構造部が配置されている機構部４も側部を流れる冷却気体によって効率良く放熱させることができる。

なお、前記実施の形態では、ケーシング１０の側部の２箇所に排気口１９，２０を設け、排気口１９と９０度異なる２方向に取付ベース２６をそれぞれ設けているが、排気口１９を２，３箇所に設け、取付ベース２６を１箇所に設けるようにしてもよく、前記実施形態に限定されるものではない。

さらに、前述した実施形態は一例を示しており、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は前述した実施形態に限定されるものではない。

本願発明に係るフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールは、さまざまな冷凍機取付箇所に容易に取付けることができるので、さまざまな応用機器に利用することができる。

本願発明の一実施形態に係るフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールの縦断面図である。 図１に示すフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールのケーシングと排気装置とを示す斜視図である。 図１に示すフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールのケーシングと蓋部材とを示す斜視図である。 図１に示すフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールにおける冷却気体の流れを示す図面であり、(a) は図２に示す構成時の気体の流れを示す側面図、(b) は図３に示す構成時の気体の流れを示す側面図である。 図１に示すフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールを縦向きに取付ける場合の図面であり、(a) は側面図、(b) は排気装置側から見た側面図である。 図１に示すフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールを横向きに取付ける場合の側面図である。 図１に示すフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールを縦向きで上下逆方向に取付ける場合の側面図である。

符号の説明

１…フリーピストン型スターリング冷凍機
２…筐体
３…首部
４…機構部（胴部）
５…排熱部
６…冷却部
７…保持環
８…保持筒
９…ナット
１０…ケーシング
１１，１２…取付部
１３…引張コイルバネ
１４…懸架機構
１５…排熱用フィン
１６…排熱用フィンカバー
１７…ボルト
１８…吸気口
１９，２０…排気口
２１…排気装置
２２…排気用ファン
２３…取付ボルト穴
２４…蓋部材
２５…フリーピストン型スターリング冷凍機モジュール
２６…取付ベース
２７…脚部
２８…平面部
２９…ブラケット
３０…取付ボルト穴
３１…ボルト
３２…応用機器
３３…ボルト
３４…排気口
３５…応用機器
３６…排気口
３７…応用機器

Claims (3)

1. 冷却部と排熱部と機構部とを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機を用いたフリーピストン型スターリング冷凍機モジュールであって、
   前記フリーピストン型スターリング冷凍機の冷却部を突出させた状態で該フリーピストン型スターリング冷凍機を内部で保持するケーシングを設け、該ケーシング内にフリーピストン型スターリング冷凍機を保持した状態で前記排熱部の位置のケーシングに吸気口を設け、該吸気口に前記排熱部の熱を放熱するための排熱用フィンを設け、該排熱用フィンから前記機構部を挟んだ方向のケーシングに複数の排気口を設け、該排気口の少なくとも１箇所に着脱可能な排気装置を設け、該排気装置を設けた排気口以外の排気口を着脱可能な蓋部材で閉鎖したフリーピストン型スターリング冷凍機モジュール。
2. 前記フリーピストン型スターリング冷凍機の振動を吸収してケーシングに保持するための懸架機構を設け、該懸架機構に前記吸気口から排気装置に流れる冷却気体が機構部に沿って流れるように整流する保持環を設けるとともに、前記ケーシングの外面に、該ケーシングを応用機器に取付けるための取付ベースを設けた請求項１記載のフリーピストン型スターリング冷凍機モジュール。
3. 前記ケーシングの軸心に対し、前記排気口と取付ベースとをほぼ９０度異なる方向に設けた請求項２記載のフリーピストン型スターリング冷凍機モジュール。
   
   

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