JP2006162200A - スターリング機関およびスターリング冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱部の冷却効率等が高められ、結果として冷却効率が高められたスターリング機関および該スターリング機関を備え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４は、外殻体と、外殻体内に組み付けられたシリンダ１３と、シリンダ１３内で互いに位相差をもって往復運動するピストン１４およびディスプレーサ１５と、ピストン１４とディスプレーサ１５との間に形成された圧縮空間１７Ａと、ディスプレーサ１５に対してピストン１４の反対側に形成された膨張空間１７Ｂと、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとを連通する連通路に配設された再生器１６とを備える。放熱部２は、再生器１６に対して圧縮空間１７Ａ側に設けられ、吸熱部３は、再生器１６に対して膨張空間１７Ｂ側に設けられている。このスターリング冷凍機４において、放熱部２の外周面に環状の外部熱交換器と噛み合う雄ねじ部３１Ａが形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、スターリング機関およびスターリング冷却庫（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ／Ｆｒｅｅｚｅｒ）に関し、特に、放熱部の冷却効率が高められたスターリング機関およびスターリング冷却庫に関する。

逆スターリング冷凍サイクルを利用した冷凍機関が従来から知られている。

たとえば、特開２００３−２４０３７３号公報（従来例１）において、作動ガスが充填されたシリンダ内を往復動するピストンおよびディスプレーサと、ピストンおよびディスプレーサによって区画形成される圧縮室と、ディスプレーサおよびシリンダの閉塞端によって区画形成される膨張室と、圧縮室の熱を外部へと伝達する放熱部と、膨張室の冷熱を外部へと伝達する吸熱部と、放熱部に接するように取付けられる冷却用ジャケットとを備えたスターリング冷凍機（スターリング機関）が開示されている。ここで、冷却用ジャケットは、放熱部を外側から取り囲む環状部を有し、この環状部が放熱部へと嵌合されていることを特徴としている。
特開２００３−２４０３７３号公報

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

従来例１に開示されるようなスターリング機関の放熱部においては、その外周面の単位面積あたりの発熱量が大きい。したがって、放熱部とその外部に設けられる熱交換器（ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）との間の熱抵抗を低減させることが重要な課題になる。なお、スターリング機関の吸熱部においても、同様の課題がある。

なお、従来例１においては、軸方向断面がコの字形状を有するような冷却用ジャケット（熱交換器）が用いられているが、この構成は、放熱部と熱交換器との接触面積を増大させ、かつ、接触圧を高めて冷却効率を高める本願発明とは全く異なるものである。

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、放熱部の冷却効率が高められ、結果として冷却効率が高められたスターリング機関および該スターリング機関を備えたスターリング冷却庫を提供することにある。

本発明に係るスターリング機関は、外殻体と、作動媒体を封入した外殻体内に組み付けられたシリンダと、シリンダ内で往復運動するピストンと、シリンダ内でピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、ピストンとディスプレーサとの間に形成された圧縮空間と、ディスプレーサに対してピストンと反対側に形成された膨張空間と、圧縮空間と膨張空間とを連通する連通路に配設された再生器と、再生器に対して圧縮空間側の外殻体に設けられた放熱部と、再生器に対して膨張空間側の外殻体に設けられた吸熱部とを備え、放熱部および／または吸熱部の外周面に環状の熱交換器（ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）と噛み合う凹凸部が形成されている。

これにより、放熱部および／または吸熱部と熱交換器との接合面が増大し、放熱部の冷却効率および／または吸熱部の冷熱の取り出し効率が向上する。なお、ここでいう「熱交換器」とは、ヒートシンクのような外気との熱交換を促進する部材や、内部の冷媒を蒸発させて冷却を行なう蒸発器のような装置を含む概念である。

上記凹凸部は、螺子であることが好ましい。

これにより、放熱部と熱交換器との螺着によって密着性を高めることができ、熱伝達率が高まることによって冷却効率がさらに向上する。

本発明に係るスターリング冷却庫は、冷凍機として上述したスターリング機関を備える。

これにより、成績係数（ＣＯＰ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の高いスターリング冷却庫が提供される。

本発明によれば、放熱部および／または吸熱部の熱交換器に対する熱伝達率を高めることができ、結果として冷却効率の高いスターリング機関が提供される。さらに付け加えるならば、放熱部および／または吸熱部への熱交換器の取り付けが極めて容易になる。

以下に、本発明に基づくスターリング機関および該スターリング機関を備えたスターリング冷却庫の１つの実施の形態について説明する。

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、スターリング機関としてのスターリング冷凍機、および、該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について説明するが、本発明に係るスターリング機関は、スターリング冷凍機に限定されるものではなく、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。

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で発生した熱を高温側凝縮器７に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、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２Ｄ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を冷却庫の前面開口部に配置することで、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２Ｅ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。

次に、図２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２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２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は、ベース部材３０Ａを介してケーシング３０に取付けられる。放熱部２と吸熱部３とは、チューブ１８Ａを介して接続される。放熱部２、吸熱部３の内周面上には、それぞれ内部熱交換器１８と内部熱交換器１９とが設けられる。内部熱交換器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。

放熱部２の外周面上には、雄ねじ部３１Ａが形成されている。詳細については、後述する。

たとえば、ピストン１４のディスプレーサ１５側の端面上に第１距離センサが設けられ、ディスプレーサ１５の吸熱部３側の端面上に第２距離センサが設けられる。第１距離センサは、スターリング冷凍機４の動作時のピストン１４とディスプレーサ１５との間隔の経時変化を計測可能である。また、第２距離センサは、スターリング冷凍機４の動作時のディスプレーサ１５と吸熱部３との間隔の経時変化を計測可能である。

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内へと伝達されるため、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（たとえば−５０℃程度）を有するに至る。一方で、放熱部２は徐々に高温（たとえば６０℃程度）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。

図３は、スターリング冷凍機４に放熱部の冷却システムを取り付けた状態の一例を示す図である。

図３を参照して、スターリング冷凍機４は、設置台３２上に固定されている。放熱部の冷却システムとして、高温側蒸発器５、高温側凝縮器７およびこれらを接続するパイプ２Ａ，２Ｂが設けられている。放熱部の外周面上に、環状の高温側蒸発器５が取り付けられている。

図４は、放熱部２と該放熱部２に取り付けられた高温側蒸発器５の接合面の状態を示す断面図である。

図４を参照して、放熱部２および高温側蒸発器５には、螺子加工が施されている。つまり、放熱部２の外周面上には雄ねじ部３１Ａが形成され、環状の高温側蒸発器５には、雄ねじ部３１Ａと噛み合う雌ねじ部３１Ｂが形成されている。これにより、熱交換器としての高温側蒸発器５が放熱部２に螺着可能になる。

図５は、放熱部の冷却システムとして、図３，図４に示す構成に代えてヒートシンク３３を用いた場合における、放熱部２とヒートシンク３３との接合面の状態を示す断面図である。

図５を参照して、図４に示される例と同様に、放熱部２およびヒートシンク３３には、螺子加工が施されている。つまり、放熱部２の外周面上には雄ねじ部３１Ａが形成され、環状のヒートシンク３３には、雄ねじ部３１Ａと噛み合う雌ねじ部３１Ｂが形成されている。これにより、熱交換器としてのヒートシンク３３が放熱部２に螺着可能になる。

なお、図３〜図５に示す例では、放熱部２に取り付けられる冷却システムについて説明したが、吸熱部３から冷熱を取り出すためのシステムにおいても、同様の構成を採用することが可能である。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。

本実施の形態に係るスターリング冷凍機４（スターリング機関）は、ケーシング３０、放熱部２、吸熱部３およびチューブ１８Ａを含む外殻体と、ヘリウムなどの作動媒体を封入した外殻体内に組み付けられたシリンダ１３と、シリンダ１３内で往復運動するピストン１４と、シリンダ１３内でピストン１４に対し位相差をもって往復運動するディスプレーサ１５と、ピストン１４とディスプレーサ１５との間に形成された圧縮空間１７Ａと、ディスプレーサ１５に対してピストン１４と反対側に形成された膨張空間１７Ｂと、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとを連通する連通路に配設された再生器１６とを備える。放熱部２は、再生器１６に対して圧縮空間１７Ａ側に設けられ、吸熱部３は、再生器１６に対して膨張空間１７Ｂ側に設けられている。このスターリング冷凍機４において、放熱部２および／または吸熱部３（放熱部２および吸熱部３の少なくとも一方）の外周面に環状の外部熱交換器（高温側蒸発器５または低温側凝縮器１０）と噛み合う凹凸部が形成されている。ここで、凹凸部は、接合面に螺子加工を施すことにより形成されている。つまり、放熱部２および／または吸熱部３の外周面に雄ねじ部３１Ａが形成され、外部熱交換器に雌ねじ部３１Ｂが形成されている。

これにより、外部熱交換器が放熱部２および／または吸熱部３の外周面に螺着可能になる。この結果、放熱部２および／または吸熱部３と外部熱交換器との接合面が増大し、放熱部２の冷却効率および／または吸熱部３の冷熱の取り出し効率が向上する。また、外部熱交換器の取り付けを容易に行なうことができる。

なお、外部熱交換器に代えて、ヒートシンク３３を用いた場合も、上記と同様の効果を奏する。

本実施の形態においては、上述した構成により、成績係数の高いスターリング冷却庫が提供される。

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スターリング冷凍機を示した側断面図である。 図２に示されるスターリング冷凍機にその放熱部の冷却システムを取り付けた状態の一例を示す図である。 図２に示されるスターリング冷凍機の放熱部と該放熱部に取り付けられた蒸発器の接合面の状態を示す断面図である。 図２に示されるスターリング冷凍機の放熱部と該放熱部に取り付けられたヒートシンクの接合面の状態を示す断面図である。

符号の説明

１ スターリング冷却庫、２ 放熱部、２Ａ〜２Ｅ 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 内部熱交換器、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、３０Ａ ベース部材、３１Ａ 雄ねじ部、３１Ｂ 雌ねじ部、３２ 設置台、３３ ヒートシンク。

Claims (5)

1. 外殻体と、
   作動媒体を封入した前記外殻体内に組み付けられたシリンダと、
   前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
   前記シリンダ内で前記ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、
   前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に形成された圧縮空間と、
   前記ディスプレーサに対して前記ピストンの反対側に形成された膨張空間と、
   前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通する連通路に配設された再生器と、
   前記再生器に対して前記圧縮空間側の外殻体に設けられた放熱部と、
   前記再生器に対して前記膨張空間側の外殻体に設けられた吸熱部とを備え、
   前記放熱部および／または前記吸熱部の外周面に環状の熱交換器と噛み合う凹凸部が形成されている、スターリング機関。
2. 前記凹凸部が螺子である、請求項１に記載のスターリング機関。
3. 前記熱交換器はヒートシンクである、請求項１または請求項２に記載のスターリング機関。
4. 前記熱交換器は内部の冷媒を蒸発させる蒸発器である、請求項１または請求項２に記載のスターリング機関。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のスターリング機関を備えたスターリング冷却庫。

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