JP2006105483A - スターリング機関搭載機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動や騒音が低減されたスターリング機関搭載機器を提供する。
【解決手段】 スターリング機関搭載機器としてのスターリング冷却庫は、放熱部２と吸熱部３とを含むヘッド部を有するスターリング冷凍機４と、スターリング冷凍機４を格納する機械室３１と、スターリング冷凍機４のヘッド部と機械室３１の壁部との隙間に嵌め込まれ、壁部の厚み方向に重なるように形成された積層構造を有する断熱材３２とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、スターリング機関搭載機器に関し、特に、振動や騒音が低減されたスターリング機関搭載機器に関する。

逆スターリングサイクルによる熱交換を冷却庫に適用したものとして、たとえば、特開２００３−５００７３号公報（従来例１）に記載されたものなどが挙げられる。

従来例１においては、逆スターリングサイクルによる作動ガスの圧縮熱を外部に放熱するための高温部と、逆スターリングサイクルによる作動ガスの膨張熱を外部から吸熱するための低温部と、低温部に熱的に結合された低温側凝縮器および複数の低温側蒸発器をサーモサイフォンを構成するように連結した閉回路からなる低温側循環回路とを備え、低温部の冷熱を搬送する冷熱搬送媒体を低温側循環回路内に封入したことを特徴とするスターリング冷凍システムが開示されている。
特開２００３−５００７３号公報

しかしながら、上記のようなスターリング冷却庫においては、以下のような問題があった。

スターリングエンジンのヘッド部と該エンジンが格納される格納室のキャビネットとの隙間に断熱材を充填した場合、スターリングエンジンの振動が断熱材を介してキャビネットに伝達してしまうことになる。これにより、振動や騒音が増大する。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、振動や騒音が低減されたスターリング機関搭載機器を提供することにある。

本発明に係るスターリング機関搭載機器は、１つの局面では、放熱部と吸熱部とを含むヘッド部を有するスターリング機関と、スターリング機関を格納する格納室と、スターリング機関のヘッド部と格納室の壁部との隙間に嵌め込まれ、壁部の厚み方向に重なるように形成された積層構造を有する断熱部とを備える。

本構成によれば、スターリング機関のヘッド部周辺の断熱性を保ちつつ、スターリング機関の振動が格納室の壁部に伝達することを抑制することができる。特に、スターリング機関のピストンの軸方向の振動に対して高い防振効果が得られる。

ここで、複数のドーナツ板状の断熱部材の外周を接着して貼り合わせることにより断熱部の積層構造を形成することが好ましい。

これにより、断熱部を容易に作製することができる。この結果、コストダウンを図ることができる。

本発明に係るスターリング機関搭載機器は、他の局面では、放熱部と吸熱部とを含むヘッド部を有するスターリング機関と、スターリング機関を格納する格納室と、スターリング機関のヘッド部と格納室の壁部との隙間に嵌め込まれ、亀裂を有する断熱部とを備える。

この局面においても、スターリング機関のヘッド部周辺の断熱性を保ちつつ、スターリング機関の振動が格納室の壁部に伝達することを抑制することができる。また、断熱部の作製が比較的容易であり、低コストで作製することが可能である。

ここで、上記亀裂は、壁部の厚み方向と交差する方向に延在することが好ましい。これにより、スターリング機関のピストンの軸方向の振動に対して高い防振効果を得ることができる。

本発明によれば、振動や騒音が低減されたスターリング機関搭載機器を提供することができる。

以下に、本発明に基づくスターリング機関搭載機器の実施の形態について、図１から図１２を用いて説明する。

なお、本願明細書において、「冷却庫」とは、「冷蔵庫」、「冷凍庫」および「冷凍冷蔵庫」の全てを含む概念である。

また、本実施の形態においては、スターリング冷凍機を備えたスターリング機関搭載機器としてのスターリング冷却庫（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ／Ｆｒｅｅｚｅｒ）について説明するが、本発明に係るスターリング機関搭載機器は、スターリング冷却庫に限定されるものではない。スターリング機関は、たとえば、発電機としても用いられる。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係るスターリング冷却庫の配管系統図である。

本実施の形態に係るスターリング冷却庫１は、図１に示すように、放熱部２と吸熱部３とを有するスターリング冷凍機４（スターリング機関）と、放熱部２に取付けられた高温側蒸発器５、高温側凝縮器７およびパイプ２Ａ，２Ｂを含む第１高温側循環回路（第１循環回路）と、高温側蒸発器５、循環ポンプ６、発露防止パイプ９およびパイプ２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆを含む第２高温側循環回路（第２循環回路）と、吸熱部３に取付けられた低温側凝縮器１０、低温側蒸発器１１およびパイプ３Ａ，３Ｂを含む低温側循環回路とを備える。第１高温側循環回路は、スターリング冷凍機４の放熱部２の冷却を行ない、第２高温側循環回路は、発露防止パイプ９に熱を供給する。また、低温側循環回路は、冷却庫内の空気とスターリング冷凍機４の吸熱部３との熱交換を行なう。

第１と第２高温側循環回路内には水（Ｈ₂Ｏ）などが冷媒として封入されている。高温側蒸発器５において蒸発した冷媒はパイプ２Ａ（高温側導管）を介して高温側凝縮器７に達する（図１中の破線矢印）。高温側凝縮器７において外気との熱交換が行なわれることで冷媒が凝縮する。この熱交換を促進するために、高温側凝縮器７近傍に気流を生じさせるファン８が設けられている。凝縮した冷媒は、パイプ２Ｂ（高温側戻り管）を介して高温側蒸発器５に戻る。第１高温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、放熱部２で発生した熱を伝達することができるように、高温側凝縮器７が高温側蒸発器５より上方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整（ほぼ真空状態に減圧）されている。

一方、高温側蒸発器５の下部には、パイプ２Ｃが接続されている。高温側蒸発器５からパイプ２Ｃに液相の冷媒が流入する。パイプ２Ｃに流入した冷媒は、パイプ２Ｄを介して、スターリング冷凍機４よりも下方に設けられた循環ポンプ６に達する。循環ポンプ６から吐出された冷媒は、パイプ２Ｅを介して発露防止パイプ９に送られる。ここで、発露防止パイプ９内を流れる冷媒は、スターリング冷凍機４の放熱部２から与えられた熱により比較的高温に保たれている。したがって、発露防止パイプ９を冷却庫の前面に配置することで、ドア部等における発露を抑制することができる。発露防止パイプ９内を流れた冷媒は、パイプ２Ｆを介して高温側蒸発器５内に戻る。このように、第２高温側循環回路においては、循環ポンプ６による強制循環が行なわれている。

低温側循環回路内には二酸化炭素や炭化水素などが冷媒として封入されている。低温側凝縮器１０において凝縮した冷媒はパイプ３Ａ（低温側導管）を介して低温側蒸発器１１に達する。低温側蒸発器１１において冷媒が蒸発することで熱交換が行なわれる。この熱交換を促進するために、低温側蒸発器１１近傍に気流を生じさせるファン１２が設けられている。熱交換の後、ガス化された冷媒は、パイプ３Ｂ（低温側戻り管）を介して低温側凝縮器１０に戻る。低温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、吸熱部３で発生した冷熱を伝達することができるように、低温側蒸発器１１が低温側凝縮器１０より下方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整（ほぼ真空状態に減圧）されている。

スターリング冷凍機４を作動させると、該冷凍機４の放熱部２で発生した熱が、高温側凝縮器７を介して空気と熱交換される。一方、スターリング冷凍機４の吸熱部３で発生した冷熱は、低温側蒸発器１１を介して冷却庫内の空気と熱交換される。冷却庫内からの暖かくなった気流は、再び低温側蒸発器１１近傍に送られ、繰り返し冷却される。

図２は、スターリング冷却庫１の冷却庫本体１Ａにおける機械室３１およびその周辺の構造を示した図である。

図２を参照して、スターリング冷凍機４は、冷却庫本体１Ａの機械室３１（格納室）内に設けられる。スターリング冷凍機４のヘッド部と機械室３１の壁部との隙間に断熱材３２（断熱部）が設けられる。断熱材３２は、たとえば、ＥＰＤＭ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｄｉｅｎｅ Ｍｏｎｏｍｅｒ）やＮＢＲ（ｎｉｔｒｉｌｅ ｒｕｂｂｅｒ）などの難燃性の独立気泡発泡体からなる。該断熱材３２は、スターリング冷凍機４の放熱部２と吸熱部３とを遮断しながら、スターリング冷凍機４のヘッド部を支持する。なお、図２に示す例では、スターリング冷凍機４の吸熱部３が機械室３１の外部に突出しているが、この場合も、スターリング冷凍機４は機械室３１に格納されていると解釈すべきである。

図３は、図２に示す断熱材の形成過程の一例を示した図である。図３（ａ）を参照して、断熱材３２（断熱部）は、接着材３３を用いて板状（ここでは、ドーナツ板状）の断熱材片３２０（断熱部材）を貼り合わせる（接着する）ことにより形成される。これにより、断熱部を容易に作製することができる。この結果、コストダウンを図ることができる。図３（ｂ）を参照して、形成された断熱材３２は、スターリング冷凍機４のヘッド部と機械室の壁部との隙間に嵌め込まれる。なお、図３においては、高温側蒸発器５および低温側凝縮器１０の図示を省略しているが、高温側蒸発器５は、断熱材３２が嵌め込まれる前に放熱部２上に取付けられ、低温側凝縮器１０は、断熱材３２が嵌め込まれた後に吸熱部３上に取付けられる。

図３に示す断熱材３２は、機械室３１の壁部の厚み方向（図２，図３における左右方向）に重なるように形成された積層構造を有する。このような断熱材３２によれば、スターリング冷凍機４の放熱部２と吸熱部３とを遮断しながら、スターリング冷凍機４のヘッド部の支持構造において、該冷凍機４のピストンの軸方向のばね定数を低減することができる。したがって、断熱性を確保しながら、スターリング冷凍機４の振動が冷却庫本体１Ａに伝達することを抑制することができる。この結果、振動や騒音が低減されたスターリング冷却庫が提供される。

図４は、図２，図３に示す断熱材の変形例の形成過程を示した図である。本変形例においては、まず、図４（ａ）に示すように、スターリング冷凍機４のヘッド部に高温側蒸発器５および低温側凝縮器１０を取付け、その後、図４（ｂ）に示すように、これらの外部熱交換器と機械室の壁部との隙間に断熱材３２が嵌め込まれる。このような構造によっても、断熱材３２によってスターリング冷凍機４の放熱部２と吸熱部３とを遮断することができる。ここで、断熱材３２としては、機械室３１の壁部の厚み方向（図４における左右方向）に重なるように形成された積層構造を有するものが組み合わされて用いられる。

図５は、図４（ｂ）に示す断熱材の形成方法を示した図である。断熱材３２は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、板状の断熱材片３２０を接着して貼り合わせることにより形成される。なお、図５における断熱材片が重なる方向については、適宜変更が可能であるが、図５に示すように、機械室３１の壁部の厚み方向（図５中の左右方向）に重ねることで、スターリング冷凍機４の振動の主方向であるピストンの軸方向（図５中の左右方向）の振動に対してより高い防振効果を得ることができる。

図６は、図４（ｂ）に示す断熱材の変形例の形成方法を示した図である。断熱材３２は、図６（ａ），（ｂ）に示すように、カッター３４を用いて断熱材ブロック３２１に機械室３１の壁部の厚み方向（図６中の左右方向）と直交する方向に延在する亀裂を設ける（層状にカットする）ことにより形成されてもよい。

なお、図６における亀裂の方向については、適宜変更が可能であるが、図６に示すように、機械室３１の壁部の厚み方向と交差する方向に延在するように形成することで、スターリング冷凍機４の振動の主方向であるピストンの軸方向（図６中の左右方向）の振動に対してより高い防振効果を得ることができる。

図７〜図１１は、スターリング冷凍機４のヘッド部周辺の構造の変形例を示した図である。

上記積層構造や亀裂に代えて、図７に示すように、断熱材３２に空洞３２Ａを設けることによっても、上記と同様の防振効果を得ることが可能である。なお、空洞３２Ａの形態は図７に示す例に限定されず、たとえば、図８〜図１０に示すような変形例が考えられる。図８においては、空洞３２Ａが複数形成され、図９においては、複数形成された空洞３２Ａの形状が互いに異なり、図１０においては、略円形断面を有する空洞３２Ａが複数形成されている。

また、図１１に示すように、断熱材３２を波形に形成することも考えられる。このような場合も、上記と同様の防振効果を得ることが可能である。

次に、図１２を用いて、スターリング冷凍機４の構造の一例およびその動作について説明する。

図１２に示すように、本実施の形態のスターリング冷凍機４は、フリーピストン型のスターリング機関であって、ケーシング３０と、該ケーシング３０に組付けられたシリンダ１３と、シリンダ１３内で往復動するピストン１４およびディスプレーサ１５と、再生器１６と、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとを含む作動空間１７と、放熱部２と、吸熱部３と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ２３と、ピストンスプリング２４と、ディスプレーサスプリング２５と、ディスプレーサロッド２６と、背圧空間２７とを備える。

図１２の例では、スターリング冷凍機４の外殻体（外壁）は、単一の容器で構成されず、背圧空間２７側に位置するケーシング３０（ベッセル部分）と、作動空間１７側に位置する放熱部２、チューブ１８Ａおよび吸熱部３とで主に構成される。ケーシング３０は、背圧空間２７を規定する。ケーシング３０には、シリンダ１３、リニアモータ２３、ピストンスプリング２４およびディスプレーサスプリング２５をはじめとする種々の部品が組付けられる。上記外殻体の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。

シリンダ１３は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン１４とフリーピストンとしてのディスプレーサ１５とを往復動可能に受け入れる。シリンダ１３内において、ピストン１４とディスプレーサ１５とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン１４およびディスプレーサ１５によってシリンダ１３内の作動空間１７が圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとに区画される。より詳しくは、作動空間１７は、ピストン１４におけるディスプレーサ１５側の端面よりもディスプレーサ１５側に位置する空間であり、ピストン１４とディスプレーサ１５との間に圧縮空間１７Ａが形成され、ディスプレーサ１５と吸熱部３との間に膨張空間１７Ｂが形成される。圧縮空間１７Ａは主に放熱部２によって囲まれ、膨張空間１７Ｂは主に吸熱部３によって囲まれている。

圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間には、チューブ１８Ａの内周面上に所定の隙間を有しながらフィルムが巻回されてなる再生器１６が配設されており、この再生器１６を介して圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとが連通する。それにより、スターリング冷凍機４内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン１４およびディスプレーサ１５の動作に合わせて流動することにより、後述する逆スターリングサイクルが実現される。

シリンダ１３の外側に位置する背圧空間２７にはリニアモータ２３が配設される。リニアモータ２３は、インナーヨーク２０と、可動マグネット部２１と、アウターヨーク２２とを有し、このリニアモータ２３によって、シリンダ１３の軸方向にピストン１４が駆動される。

ピストン１４の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング２４と接続される。該ピストンスプリング２４は、ピストン１４に弾性力を付与する弾性力付与手段として機能する。該ピストンスプリング２４に弾性力を付加することにより、シリンダ１３内でピストン１４をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサ１５の一端は、ディスプレーサロッド２６を介してディスプレーサスプリング２５と接続される。ディスプレーサロッド２６はピストン１４を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング２５は板バネなどで構成される。該ディスプレーサスプリング２５の周縁部と、ピストンスプリング２４の周縁部は、リニアモータ２３からピストン１４の背圧空間２７側（以下、後方と称する場合がある。）に延びる支持部材により支持される。

ピストン１４に対しディスプレーサ１５と反対側には、ケーシング３０によって囲まれた背圧空間２７が配設されている。背圧空間２７は、ケーシング３０内でピストン１４の周囲に位置する外周領域と、ケーシング３０内でピストン１４よりもピストンスプリング２４側（後方側）に位置する後方領域とを含む。この背圧空間２７内にも、作動媒体が存在する。

放熱部２、吸熱部３の内周面上には、それぞれ熱交換器１８と熱交換器１９とが設けられる。熱交換器１８，１９は、それぞれ、圧縮空間１７Ａ，膨張空間１７Ｂと放熱部２，吸熱部３との間の熱交換を行なう。

ケーシング３０の後方側には、板バネ２８を介してバランスマス２９が取付けられている。バランスマス２９は、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによって生じるケーシング３０の振動を吸収する質量部材である。具体的には、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによってケーシング３０に振動が生じた場合に、このケーシング３０の振動に対して追従するようにバランスマス２９が振動することにより、スターリング冷凍機４の振動が低減される。

次に、このスターリング冷凍機４の動作について説明する。

まず、リニアモータ２３を作動させてピストン１４を駆動する。リニアモータ２３によって駆動されたピストン１４は、ディスプレーサ１５に接近し、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体（作動ガス）を圧縮する。

ピストン１４がディスプレーサ１５に接近することにより、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体の温度は上昇するが、放熱部２によってこの圧縮空間１７Ａ内に発生した熱が外部へと放出される。そのため、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体の温度はほぼ等温に維持される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルにおける等温圧縮過程に相当する。

ピストン１４がディスプレーサ１５に接近した後にディスプレーサ１５は吸熱部３側に移動する。他方、ピストン１４によって圧縮空間１７Ａ内において圧縮された作動媒体は再生器１６内に流入し、さらに膨張空間１７Ｂへと流れ込む。その際、作動媒体の持つ熱が再生器１６に蓄熱される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容冷却過程に相当する。

膨張空間１７Ｂ内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ１５がピストン１４側（後方側）へ移動することにより膨張する。このようにディスプレーサ１５が後方側へ移動するのに伴い、ディスプレーサスプリング２５の中央部も後方側に突出するように変形する。

上記のように膨張空間１７Ｂ内で作動媒体が膨張することにより、膨張空間１７Ｂ内の作動媒体の温度は下降するが、吸熱部３によって外部の熱が膨張空間１７Ｂ内へと伝熱されるため、膨張空間１７Ｂ内はほぼ等温に保たれる。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。

その後、ディスプレーサ１５がピストン１４から遠ざかる方向に移動し始める。それにより、膨張空間１７Ｂ内の作動媒体は再生器１６を通過して再び圧縮空間１７Ａ側へと戻る。その際に再生器１６に蓄熱されていた熱が作動媒体に与えられるため、作動媒体は昇温する。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当する。

この一連の過程（等温圧縮過程−等容冷却過程−等温膨張過程−等容加熱過程）が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、吸熱部３は徐々に低温になり、極低温を有するに至る。一方で、放熱部２は徐々に高温になる。上述したように、吸熱部３における冷熱は、低温側循環回路を介して冷却庫内に供給され、放熱部２における熱は、第１と第２高温側循環回路を介して冷却庫外に放出される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の１つの実施の形態に係るスターリング冷却庫の配管系統図である。 本発明の１つの実施の形態に係るスターリング冷却庫における機械室およびその周辺の構造を示した図である。 図２における断熱材の形成過程を示した図であり、（ａ）は、断熱材片を貼り合わせることにより断熱材を形成する様子を示し、（ｂ）は、形成された断熱材をスターリング冷凍機のヘッド部と機械室の壁部との隙間に嵌め込む様子を示す。 図２における断熱材の変形例の形成過程を示した図であり、（ａ）は、スターリング冷凍機のヘッド部に外部熱交換器を取付ける様子を示し、（ｂ）は、外部熱交換器と機械室の壁部との隙間に断熱材を嵌め込む様子を示す。 図４（ｂ）に示す断熱材の形成方法を示した図である。 図４（ｂ）に示す断熱材の変形例の形成方法を示した図である。 図２における断熱材の他の変形例を示した図である。 図２における断熱材のさらに他の変形例を示した図である。 図２における断熱材のさらに他の変形例を示した図である。 図２における断熱材のさらに他の変形例を示した図である。 図２における断熱材のさらに他の変形例を示した図である。 本発明の１つの実施の形態に係るスターリング冷却庫におけるスターリング冷凍機を示した側断面図である。

符号の説明

１ スターリング冷却庫、２ 放熱部、２Ａ〜２Ｆ パイプ（高温側循環回路）、３ 吸熱部、３Ａ，３Ｂ パイプ（低温側循環回路）、４ スターリング冷凍機、５ 高温側蒸発器、６ 循環ポンプ、７ 高温側凝縮器、８ ファン、９ 発露防止パイプ、１０ 低温側凝縮器、１１ 低温側蒸発器、１２ ファン、１３ シリンダ、１４ ピストン、１５ ディスプレーサ、１６ 再生器、１７ 作動空間、１７Ａ 圧縮空間、１７Ｂ 膨張空間、１８，１９ 熱交換器、１８Ａ チューブ、２０ インナーヨーク、２１ 可動マグネット、２２ アウターヨーク、２３ リニアモータ、２４ ピストンスプリング、２５ ディスプレーサスプリング、２６ ディスプレーサロッド、２７ 背圧空間、２８ 板バネ、２９ バランスマス、３０ ケーシング、３１ 機械室、３２ 断熱材、３２Ａ 空洞、３３ 接着材、３４ カッター、３２０ 断熱材片、３２１ 断熱材ブロック。

Claims (3)

1. 放熱部と吸熱部とを含むヘッド部を有するスターリング機関と、
   前記スターリング機関を格納する格納室と、
   前記スターリング機関のヘッド部と前記格納室の壁部との隙間に嵌め込まれ、前記壁部の厚み方向に重なるように形成された積層構造を有する断熱部とを備えたスターリング機関搭載機器。
2. 複数のドーナツ板状の断熱部材の外周を接着して貼り合わせることにより前記断熱部の積層構造を形成する、請求項１に記載のスターリング機関搭載機器。
3. 放熱部と吸熱部とを含むヘッド部を有するスターリング機関と、
   前記スターリング機関を格納する格納室と、
   前記スターリング機関のヘッド部と前記格納室の壁部との隙間に嵌め込まれ、亀裂を有する断熱部とを備えたスターリング機関搭載機器。

Images