JP3751191B2 - スターリング冷凍システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機を備えた冷凍システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、家庭用冷蔵庫等の冷凍サイクル装置では、冷媒にフロンを用いた蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。このフロン冷媒は、オゾン破壊係数が大きく、環境問題の点で世界的に使用が規制される趨勢にあることは周知の通りである。
【０００３】
近年、蒸気圧縮式の冷凍サイクルに代わる新しい冷凍技術として、逆スターリングサイクルを利用したスターリング冷凍機の研究が進められている。このスターリング冷凍機は、作動ガスにヘリウム等の不活性ガスを使用しているため、地球環境に悪い影響を及ぼすことなく、効率よく極低温を得ることができる。
【０００４】
逆スターリングサイクルは、リニアモータ等の外部動力でピストンを運動させることにより、同一のシリンダ内でピストンと所定の位相差を維持して反復運動されるディスプレーサと共に作動ガスを圧縮・膨張させ、それを繰り返すことにより放熱・吸熱を行う密閉サイクルである。
【０００５】
このスターリング冷凍機は、コールドセクションと呼ばれる低温部から得られる冷熱を効率よく搬送する手段が必要であるとともに、スターリング冷凍機の冷凍能力が高くなればなる程、放熱部のウォームセクションにて発生する熱量も増大するため、その熱量を効率よく放熱させてやらなければ、結果として、スターリング冷凍機の能力が低下し、コールドセクションで得られる冷熱量も減少する。
【０００６】
例えば、特開平７−１８０９２１号公報に開示されているスターリング冷蔵庫は、図１１に示すように、冷蔵庫本体１００の庫内の上部奥方に庫内を冷却する冷却器１０１を配し、本体下部の機械室内にスターリング冷凍機１０２を配設している。そのスターリング冷凍機１０２のコールドセクション１０３と、冷却器１０１を配管１０４にて接続し、該配管１０４内に充填させた冷媒を循環させ、この冷媒を介してスターリング冷凍機１０２の駆動によりコールドセクション１０３から発生させた冷熱を庫内の冷却器１０１に伝達させている。
【０００７】
そして、冷却器１０１に搬送された冷熱と庫内の空気とを冷却器１０１の表面において熱交換させて得られる冷気をファン１０５により庫内に送出して、庫内を所定の温度に冷却する。一方、スターリング冷凍機１０２のウォームセクション１０６には、放熱用フィン１０７を配設して送風ファン１０８にて通風し、ウォームセクション１０６から放熱を促進する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、家庭用又は業務用として需要が見込まれるスターリング冷凍機は、数百ワットレベルの冷凍能力を必要とするが、上記の従来の構成ではそのレベルの冷凍能力を実現しようとすると、放熱フィン１０７の表面積も相当に大きくなることが考えられ、更に送風ファン１０８の冷却風量も増大させなけばならない。
【０００９】
従って、冷凍システム全体が大型化し、これまでの上記圧縮式の冷蔵庫と同程度又はそれ以上の機械室の容積を確保せねばならず、庫内容積の縮小を余儀なくされるとともに、ファンの消費電力増大によってシステム全体の効率が悪化して省エネに不利であるという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、ウォームセクションからの放熱を促進させて冷却効率の向上を図ったコンパクトなスターリング冷凍システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明によるスターリング冷凍システムは、作動ガスが封入されたシリンダ内を所定の位相差で往復動するピストン及びディスプレーサと、前記シリンダ内に形成された膨張空間内における前記ディスプレーサの往復動に伴う前記作動ガスの膨張により外部から吸熱して冷熱を生ずる吸熱部と、前記シリンダ内に形成された圧縮空間内における前記ピストンの往復動に伴う前記作動ガスの圧縮により外部に放熱する放熱部とを有するスターリング冷凍機と、該スターリング冷凍機の軸線と平行に筒状に形成された放熱用熱交換器と、前記放熱部と前記放熱用熱交換器とを接続手段にて接続してなる閉回路と、該閉回路内で冷媒を循環させる搬送手段とを備え、前記放熱用熱交換器の内周面と前記スターリング冷凍機の外周面との間に円筒状の隙間が形成されるようにこれらをユニット化し、該ユニットの一端に前記軸線を中心に回転する送風ファンを設け、該送風ファンにより前記隙間に向けて送風するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
この構成によると、スターリング冷凍機の駆動によりウォームセクションで発生する熱は、搬送手段により閉回路内を循環する冷媒によって放熱用熱交換器に搬送され、この放熱用熱交換器を介して外部に放熱される。さらに、送風ファンからの送風によって放熱用熱交換器のフィン表面からの放熱が促進される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係るフリーピストン型スターリング冷凍機の断面図であり、まずこの冷凍機の動作原理について説明する。
【００１４】
ピストン２はリニアモータ６により駆動され、共振用バネ５により正弦運動する。ピストン２の往復動に伴い圧縮空間８内の作動ガスは正弦的な圧力変動を示す。この作動ガスの圧力変動は、シリンダ９ａ内のディスプレーサ１を軸方向に運動させる力に変換され、ディスプレーサ１が共振用バネ５'によりピストン２と所定の位相差（例えば９０°）を維持しながら正弦運動する。
【００１５】
圧縮空間８で圧縮された作動ガスは、ウォームセクション（放熱部）１０にて圧縮熱を放出し、ディスプレーサ１内にある再生器３で予冷され膨張空間７内に流入する。一方、膨張空間７内の作動ガスは、ディスプレーサ１の動きにより膨張してスターリング冷凍機本体９の先端に配されたコールドセクション（吸熱部）４を介して外部から吸熱するため、このコールドセクション４において極低温の冷熱が得られる。
【００１６】
次に、本実施形態に係るスターリング冷凍システムの概略的な構成を図２に示す。図２は、一例として、コールドセクション４が左側になるよう横臥方向にスターリング冷凍機本体９が配された場合を示しており、スターリング冷凍機本体９の右側の端部からウオームセクション１０の右横にかけての部分には、円筒状に形成された放熱用熱交換器１１が配設されている。尚、この図においては、放熱用熱交換器１１の構成を分かりやすくするためスターリング冷凍機本体９の軸線より上方にある部分については、断面を示している。
【００１７】
ウォームセクション１０には該ウォームセクション１０から放出される熱を伝達するリング状のジャケット１２が嵌着されている。該ジャケット１２は、リング状にて内部に空間を有する形状であり、図３に示すように、コの字状のリング１２ａと該リング１２ａの開放側を密閉する平板１２ｂとから構成される。
【００１８】
リング１２ａの中心を通って互いに対向する２カ所には、配管１４の接続口１３，１３が設けられており、一方の接続口１３は循環ポンプ１５を介して後述する一対のヘッダー管１９，１９のうちの一方のヘッダー管１９の接続口１３に配管１４で接続されている。
【００１９】
そして、リング１２ａの他方の接続口１３は配管１４にて他方のヘッダー管１９の接続口１３に接続されることで完全な閉回路を形成している。この閉回路内には冷媒１６としてエチルアルコール等の流体が封入されており、循環ポンプ１５の駆動により、冷媒１６が矢印の方向に閉回路内で循環されるようになっている。
【００２０】
放熱用熱交換器１１は、図４に示すように、隣接して併設され前記配管１４の接続口１３を有する一対のヘッダー管１９，１９と、該ヘッダー管１９，１９の一方から他方へ連通接続されるとともに前記軸線を中心としてリング状に所定の幅で並設される複数の凝縮管１７，１７，１７・・・と、前記複数の凝縮管１７，１７，１７・・・の間に狭着されるフィン１８，１８，１８・・・とから構成される。
【００２１】
環状形状の放熱熱交換器１１の作製手順としては、ヘッダー管１９，１９の切り込み部分に複数の凝縮管１７，１７，１７・・・を差し込んだ後、治具に固定し一定寸法を保つようにする。その後、凝縮管１７と凝縮管１７との間にフィン１８を挟み込み、治具上で放熱用熱交換器１１の形状が形成される。
【００２２】
その治具に組み込んだ状態で、約６２０℃程度に設定された炉内に運び込み、各部品の嵌合部や密着部の一部を溶融させて固定する。その後、炉内より運び出し冷却した熱交換器１１を、治具に沿わせながら湾曲させていき、ヘッダー管１９を含めて３６０℃のリング形状を形成する。そして、ヘッダー管１９，１９の一端に接続口１３，１３を設ける。
【００２３】
このように放熱用熱交換器１１をリング形状に形成することにより、ヘッダー管１９，１９同士が近接又は密接した状態となるが、ヘッダー管１９，１９の間に、樹脂等の熱伝導性の低い材料からなるスペーサ２０を挟持させることにより、放熱用熱交換器１１の作製の全工程が終了する。
【００２４】
スペーサ２０の役割の一つは、治具に沿わせて湾曲することでリング状に形成した放熱用熱交換器１１が、湾曲させる前の形に戻ろうとする復元力を抑えてリング状を維持させるためヘッダー管１９，１９を保持することである。もう一つは、ヘッダー管１９は冷媒の入口又は出口として機能するため、ヘッダー管１９，１９同士が密着していた場合、ヘッダー管１９，１９間で熱交換が起こり、放熱効果が低減してしまうので、樹脂等の熱伝導性の低い材料からなるスペーサ２０を介在させることで、ヘッダー管１９、１９同士での熱交換を防止するという役割を果たしている。
【００２５】
そして、冷蔵庫の機械室等の底面に固定するための取り付け脚としての役割もある。また、ヘッダー管１９自体は、フィン１８と直接接触していないため、熱交換にあまり寄与しないデッドスペースとなるが、この部分が下方に位置するように放熱用熱交換器１１を配設することで、有効に熱交換が行われるフィン１８を広い空間に向かわせることができるため、熱交換効率の向上が図られる。
【００２６】
凝縮管１７の断面構造を図５に示すと、凝縮管１７は扁平多孔管にて形成されており、その内部には三角トラス状の補強リブが形成されている。該凝縮管１７はアルミニウムの押し出し成形により容易に作製できる。図中のＷは凝縮管１７の幅を示し、Ｔはその厚みを示している。
【００２７】
凝縮管１７と凝縮管１７との間に狭着されたフィン１８は、図６に示すように、薄いアルミニウム箔を一定間隔で屈曲してコルゲート状に蛇行させることにより形成され、凝縮管１７に対して平行に配設されたものである。
【００２８】
スターリング冷凍機の駆動によりウォームセクション１０にて発生する圧縮熱は、ジャケット１２を介して冷媒１６に伝達され、更に冷媒１６の循環によって放熱用熱交換器１１に導かれ、放熱用熱交換器１１を介して外部に放熱される。
【００２９】
尚、本実施形態におけるジャケット１２の構成は、コの字形状のリング１２ａと平板１２ｂを組み合わせたものであったが、扁平形状に形成した管をウォームセクション１０に密着させて巻き付ける構成であってもよい。
【００３０】
＜第２の実施形態＞本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。図７は本実施形態に係るスターリング冷凍システムの概略的な構成を示す外観図である。この図において、図２に示す上記第１の実施形態と共通の部材には同一の符号を附し、その詳細な説明を省略する。
【００３１】
本実施形態に特徴的な構成を図７を参照して説明する。放熱用熱交換器１１の右側の端部、即ちスターリング冷凍機本体９の反対側にはスターリング冷凍機の軸線を中心に回転する送風ファン２５が配され、一方の左側の端部には遮蔽板２６が取り付けられている。遮蔽板２６は、送風ファン２５の回転により発生する空気２７が放熱用熱交換器１１を通過してウォームセクション１０側に漏れないように遮断している。
【００３２】
送風ファン２５の回転により起風された空気２７の流れは、放熱用熱交換器１１の内側をスターリング冷凍機本体９に沿って流れ、遮蔽板２６に反射され、放熱用熱交換器１１のフィン１８間を抜けて外部に放出される。これにより、放熱用熱交換器１１からの放熱が促進される。尚、放熱用熱交換器１１による熱交換能力は、図８に示すように、送風ファン２５の風量を変化させることでコントロールできる。
【００３３】
スターリング冷凍機は、上述したようにピストン２をリニアモータ６にて駆動し、コールドセクション４により低温を得る構成であることから、リニアモータ６に印加する電圧を変化させることで、ピストン２の往復動の振幅を変化させることができる。
【００３４】
リニアモータ６に印加する電圧を時間と共に上昇させると、それに応じてピストン２の振幅が増加し、限られた圧縮空間８内で圧縮される作動ガスの圧力は順次上昇する。それに伴い、膨張空間７内でディスプレーサ１により作動ガスが膨張して、コールドセクション４を介して吸熱される熱量も増大するので、いっそう低温の冷熱が得られることとなる。
【００３５】
一方、圧縮空間８内の作動ガスの圧力が上昇することで、ウォームセクション１０にて発生する圧縮熱も増大する。従って、その増大した圧縮熱を効率よく放熱させなければ、スターリング冷凍機の冷却能力は低下し、コールドセクション４の温度が上昇するという問題が生ずる。
【００３６】
そこで、本実施形態では、スターリング冷凍機が極めて低出力で運転されているときは、送風ファン２５を回転させないで、循環ポンプ１５を駆動してウォームセクション１０の熱量を放熱用熱交換器１１に搬送して放熱させる。スターリング冷凍機の出力が上がるに従い、送風ファン２５に入力を加えて放熱用熱交換器１１における放熱量を増大させる。
【００３７】
上記のようにスターリング冷凍機の能力は、リニアモータ６に印加する電圧をリニアに上昇させることができるから、その能力に応じた風量を得るべく送風ファン２５への入力を制御すればよい。そして、リニアモータ６への入力を上げれば、送風ファン２５への入力を上昇させ、逆にリニアモータ６への入力を下げれば、送風ファン２への入力を下げるように制御を行う。
【００３８】
更に、スターリング冷凍機の最大能力出力時においては、循環ポンプ１５への入力を上げて冷媒の循環量を増大させるとともに、送風ファン２５への入力も上げてフィン１８間の風速も増大させ、ウォームセクション１０において発生する圧縮熱の放熱を促進させる。
【００３９】
尚、本実施形態においては、送風ファン２５の起動により起風された空気２７は、放熱用熱交換器１１の内側を冷凍機本体９に沿って流れ、放熱用熱交換器１１のフィン１８間を抜けて外部に放出させる場合について説明したが、逆向きの流れ、つまり放熱用熱交換器１１の周囲から吸い込み、放熱用熱交換器１１の内側を冷凍機本体９に沿って流れ、送風ファン２５の後方に排気する方式でも同様の効果が得られる。
【００４０】
図９はスターリング冷凍システムを搭載した冷却装置の一例である冷蔵庫の概略的な外観斜視図である。冷蔵庫本体３０は断熱材により囲まれて庫内が形成されており、その庫内は仕切板にて複数の冷却室に分割されている。
【００４１】
冷蔵庫本体３０の背面下部には、図１０に示すような機械室ユニット３１がビス等により着脱可能に設置されている。その機械室ユニット３１の内部には、上記第１または第２の実施形態で説明したスターリング冷凍機本体９や放熱用熱交換器１１等を組み合わせたスターリング冷凍システム３２と、冷蔵庫本体３０内の奥方に形成される冷気流路（図示せず）に冷気吹出口３６で連通接続される冷気ダクト３３と、冷蔵庫の様々な部品を電気的に制御する電送ボックス３４とが配設されている。
【００４２】
スターリング冷凍システム３２のコールドセクション４は、冷気ダクト３３内に位置するように配されており、このコールドセクション４の先端は同じく冷気ダクト３３内に配設された直方体形状の冷却器３５の側面に密接している。従って、コールドセクション４で生じた冷熱は冷却器３５に伝達されここに蓄積されるようになっている。
【００４３】
冷却器３５の下流側には送風ファン３８が配されており、その送風ファン３８の入力により、冷却器３５内部のハニカム状の空間に冷却器３５の下方から上方に空気の流を起こし、該冷却器３５が蓄積した冷熱をリブの表面から冷気に受け渡す。
【００４４】
その冷気は冷気ダクト３３の冷気吹出口３６より冷気通路を経由して冷蔵庫本体３０の庫内へ搬送される。庫内を冷却しながら循環した冷気は、冷気ダクト３３の冷気戻り口３７から冷却器３５の上流側に戻る。
【００４５】
尚、本実施形態では庫内に冷気を直接送出してこれを冷却する場合について説明したが、従来の技術で述べた特開平７−１８０９２１号公報に開示されているような冷気が循環する閉回路からフィンを介して庫内空気と熱交換させ、ファンで送風して冷却するような方式を採用しても何ら差し支えない。また、本実施形態では、冷却装置として冷蔵庫を例にして説明したが、これはあくまで一例であり、他の冷却装置、例えば、小型の保冷庫や冷凍庫等に上記の冷凍機ユニットを着脱可能に設けてもよい。
【００４６】
＜参考例１＞参考例１について図面を参照して説明する。本参考例は、上記第２の実施形態の変形である。放熱用熱交換器１１において、熱交換効率を向上させる方法としては、まずフィン１８のピッチを狭めて熱交換に寄与する表面積をかせぐことが考えられる。冷蔵庫等の冷却装置では、通常スターリング冷凍機、コンプレッサ等の冷凍機の機械部品は本体下部の機械室内に配置される。この機械室内は放熱のために外部の風の流れが生じるように形成されている。
【００４７】
そのため、フィン１８のピッチを狭めた放熱用熱交換器１１では、塵埃が侵入しやすくなり、塵埃がフィン１８間に詰まり、かえって熱交換効率が低下する問題が懸念される。本実施形態はこの問題に鑑み、フィン１８のピッチをあまり縮小せずに熱交換能力を向上を図ったものである。
【００４８】
本参考例の特徴的な構成を図１２及び図１３を参照して説明すると、放熱用熱交換器１１に示すように、放熱用熱交換器１１の凝縮管１７間に狭着されたフィン１８は、凝縮管１７の周縁部よりｄだけ外側に延長され、凝縮管１７の幅Ｗにｄを加えたＷ＋ｄの長さとしている。
【００４９】
このとき、熱交換流体である空気２７は、図１３に示すように、放熱用熱交換器１１の内周側Ａから外周側Ｂへフィン１８間を通って放出されるようになっている。フィン１８は空気２７の入口部１８ａと出口部１８ｂでの温度分布が異なるので、温度の比較的低い入口部１８ａよりも空気２７とフィン１８との温度差が大きい出口部１８ｂの方が熱交換に寄与する割合が高くなるものである。
【００５０】
フィン１８の幅と冷凍能力の関係を図１４に示すと、フィン１８の幅Ｗ（イ）、Ｗ＋ｄ（ロ），（ハ）のいずれの場合でも送風ファン２５の風量が上昇すると、概ね冷凍能力も向上する傾向にある。本実施形態のように、フィン１８の幅をＷ＋ｄ（ロ）としたときは、フィン１８の幅がＷ（イ）の場合に比べて約２０％熱交換効率が向上した。
【００５１】
また、同様にフィン１８の幅がＷ＋ｄ（ハ）の放熱用熱交換器１１を使用し、空気２７の流れの逆向き、つまり図１３の矢印と反対方向に流すようにした場合は、スターリング冷凍機の冷凍能力はフィン１８の幅がＷ（イ）のときより８％程度であるが、本実施形態の優位性が実証された。
【００５２】
尚、本参考例においては、送風ファン２５の起動により起風された空気２７は、放熱用熱交換器１１の内側を冷凍機本体９に沿って流れ、放熱用熱交換器１１のフィン１８間を抜けて外部に放出させる場合について説明したが、逆向きの流れ、つまり放熱用熱交換器１１の周囲から吸い込み、放熱用熱交換器１１の内側を冷凍機本体９に沿って流れ、送風ファン２５の後方に排気する方式の場合、内側方向にフィン１８をｄだけ延ばすことにより同様の効果が得られる。
【００５３】
＜参考例２＞参考例２について図面を参照して説明する。図１５は、本実施形態に係るスターリング冷凍システムの放熱用熱交換器の構成を示す模式的な断面図である。尚、この図１５は、放熱用熱交換器１１の構成をわかりやすくするため二次元的な断面で示しているが、実際の形状は、図２に示すように、ヘッダー管１９，１９が隣接する円筒状をしているものとする。
【００５４】
放熱用熱交換器１１において、熱交換効率を向上させる方法としては、次に凝縮管１７の本数を増やすことにより、それらの凝縮管１７間に嵌着されるフィン１８の数を増やして熱交換に寄与する表面積をかせぐことが考えられる。
【００５５】
しかしながら、凝縮管１７の本数を増大させた場合、ヘッダー管１９から分岐する凝縮管１７が多いほど内部を流通する冷媒１６に圧損がかかりやすくなり、流入した冷媒１６が各凝縮器１７を均一に流れないことにより、かえって熱交換効率が低下することがある。
【００５６】
本参考例の特徴的な構成を図１５を参照して説明すると、ヘッダー管１９，１９に連通接続されるリング状の１２本の凝縮管１７がある。そして、図中の左側のヘッダー管１９の長手方向の中央、つまり凝縮管１７の６本目と７本目との間にヘッダー管１９内部を上下に仕切る仕切板２８が設けられている。
【００５７】
この仕切板２８はヘッダー管１９と同じ材料のアルミニウムにて形成された円板である。ヘッダー管１９には予め、凝縮管１７の６本目と７本目との間に切り込みを設けておき、放熱用熱交換器１１を形成する工程のうち、治具上に固定する時に仕切板２８を前記切り込みに差し込んでおく。その治具に組み込んだ状態で、放熱用熱交換器１１を約６２０℃に設定された炉内に運び込み、各部品を溶着させて固定する。
【００５８】
次に、冷媒の流れについて説明する。循環ポンプ１５が駆動されると、左側のヘッダー管１９の上側に配された接続口１３から冷媒１６が流入し、ヘッダー管１９内の仕切板２８の手前まで冷媒１６は移動し、上半分の空間に満たされた後、上から１本目から６本目の凝縮管１７内を均等に流れて右側のヘッダー管１９内に流入する。更に、冷媒１６は右側ヘッダー管１９内を下方に移動し、７本面から１２本目の凝縮管１７内を均等に流れて左側のヘッダー管１９を経由して下方の接続口１３から排出される。
【００５９】
尚、本参考例においては、凝縮管１７の本数が１２本である放熱用熱交換器１１について説明したが、スターリング冷凍機の出力が大きくなり、それに伴い、放熱用熱交換器１１の凝縮管１７の本数が更に増えた場合には、ヘッダー管１９内を仕切る仕切板２８の枚数を増やして冷媒の凝縮管１７を右から左、又は左から右へと移動する往復回数をかせぎ、各凝縮管１７に均等に冷媒１６を流してやる工夫が必要である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、スターリング冷凍機の駆動により圧縮熱が放熱されるウォームセクションとスターリング冷凍機本体の周囲に設けた円筒状の放熱用熱交換器とを配管にて接続して閉回路を形成し、該閉回路内で冷媒を循環させるようにした上、前記放熱用熱交換器の内周面と前記スターリング冷凍機の外周面との間に円筒状の隙間が形成されるようにこれらをユニット化し、該ユニットの一端に前記軸線を中心に回転送風ファンを設け、該送風ファンにより前記隙間に向けて送風するようにしたので、スターリング冷凍機の駆動によりウォームセクションで発生する熱は、搬送手段により閉回路内を循環する冷媒によって放熱用熱交換器に搬送され、この放熱用熱交換器を介 して外部に放熱される。さらに、送風ファンからの送風によって放熱用熱交換器のフィン表面からの放熱が促進され、効率よく放熱できるコンパクトなスターリング冷凍システムの実現が可能となる。
【００６１】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るフリーピストン型スターリング冷凍機の一例の断面図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態に係るスターリング冷凍システムの概略的な構成を示す側面図である。
【図３】 そのスターリング冷凍システムのジャケットの構造を示す断面図である。
【図４】 そのスターリング冷凍システムの放熱用熱交換器の構成を示す上面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図５】 その放熱用熱交換器の凝縮管の断面図である。
【図６】 その放熱用熱交換器の要部の構造を示す模式的な図である。
【図７】 本発明の第２の実施形態に係るスターリング冷凍システムの概略的な構成を示す側面図である。
【図８】 そのスターリング冷凍システムの送風ファンの風量と放熱用熱交換器による熱交換能力の関係を示すグラフである。
【図９】 本発明の第２の実施形態に係る冷蔵庫の概略的な外観斜視図である。
【図１０】 その冷蔵庫の機械室ユニットの斜視図である。
【図１１】 従来のスターリング冷蔵庫の一例の概略的な側面断面図である。
【図１２】 参考例１に係るスターリング冷凍システムの放熱用熱交換器の概略的な構成を示す側面図である。
【図１３】 その放熱用熱交換器の要部拡大図である。
【図１４】 そのスターリング冷凍システムの送風ファンの風量とフィンの長さを変えた場合の放熱用熱交換器による熱交換能力の関係を示すグラフである。
【図１５】 参考例２に係るスターリング冷凍システムの放熱用熱交換器の構成を示す模式的な断面図である。
【００６７】
【符号の説明】
１ ディスプレーサ
２ ピストン
３ 再生器
４ コールドセクション
５，５' 共振用バネ
６ リニアモータ
７ 膨張空間
８ 圧縮空間
９ スターリング冷凍機本体
１０ ウォームセクション
１１ 放熱用熱交換器
１２ ジャケット
１３ 接続口
１４ 配管
１５ 循環ポンプ
１６ 冷媒
１７ 凝縮管
１８ フィン
１９ ヘッダー管
２０ スペーサ
２５，３８ 送風ファン
２６ 遮蔽板
２７ 空気
２８ 仕切板
３０ 冷蔵庫本体
３１ 機械室ユニット
３２ スターリング冷凍システム
３３ 冷気ダクト
３４ 電送ボックス
３５ 冷却器
３６ 冷気吹出口
３７ 冷気戻り口
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機を備えた冷凍システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、家庭用冷蔵庫等の冷凍サイクル装置では、冷媒にフロンを用いた蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。このフロン冷媒は、オゾン破壊係数が大きく、環境問題の点で世界的に使用が規制される趨勢にあることは周知の通りである。
【０００３】
近年、蒸気圧縮式の冷凍サイクルに代わる新しい冷凍技術として、逆スターリングサイクルを利用したスターリング冷凍機の研究が進められている。このスターリング冷凍機は、作動ガスにヘリウム等の不活性ガスを使用しているため、地球環境に悪い影響を及ぼすことなく、効率よく極低温を得ることができる。
【０００４】
逆スターリングサイクルは、リニアモータ等の外部動力でピストンを運動させることにより、同一のシリンダ内でピストンと所定の位相差を維持して反復運動されるディスプレーサと共に作動ガスを圧縮・膨張させ、それを繰り返すことにより放熱・吸熱を行う密閉サイクルである。
【０００５】
このスターリング冷凍機は、コールドセクションと呼ばれる低温部から得られる冷熱を効率よく搬送する手段が必要であるとともに、スターリング冷凍機の冷凍能力が高くなればなる程、放熱部のウォームセクションにて発生する熱量も増大するため、その熱量を効率よく放熱させてやらなければ、結果として、スターリング冷凍機の能力が低下し、コールドセクションで得られる冷熱量も減少する。
【０００６】
例えば、特開平７−１８０９２１号公報に開示されているスターリング冷蔵庫は、図１１に示すように、冷蔵庫本体１００の庫内の上部奥方に庫内を冷却する冷却器１０１を配し、本体下部の機械室内にスターリング冷凍機１０２を配設している。そのスターリング冷凍機１０２のコールドセクション１０３と、冷却器１０１を配管１０４にて接続し、該配管１０４内に充填させた冷媒を循環させ、この冷媒を介してスターリング冷凍機１０２の駆動によりコールドセクション１０３から発生させた冷熱を庫内の冷却器１０１に伝達させている。
【０００７】
そして、冷却器１０１に搬送された冷熱と庫内の空気とを冷却器１０１の表面において熱交換させて得られる冷気をファン１０５により庫内に送出して、庫内を所定の温度に冷却する。一方、スターリング冷凍機１０２のウォームセクション１０６には、放熱用フィン１０７を配設して送風ファン１０８にて通風し、ウォームセクション１０６から放熱を促進する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、家庭用又は業務用として需要が見込まれるスターリング冷凍機は、数百ワットレベルの冷凍能力を必要とするが、上記の従来の構成ではそのレベルの冷凍能力を実現しようとすると、放熱フィン１０７の表面積も相当に大きくなることが考えられ、更に送風ファン１０８の冷却風量も増大させなけばならない。
【０００９】
従って、冷凍システム全体が大型化し、これまでの上記圧縮式の冷蔵庫と同程度又はそれ以上の機械室の容積を確保せねばならず、庫内容積の縮小を余儀なくされるとともに、ファンの消費電力増大によってシステム全体の効率が悪化して省エネに不利であるという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、ウォームセクションからの放熱を促進させて冷却効率の向上を図ったコンパクトなスターリング冷凍システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明によるスターリング冷凍システムは、作動ガスが封入されたシリンダ内を所定の位相差で往復動するピストン及びディスプレーサと、前記シリンダ内に形成された膨張空間内における前記ディスプレーサの往復動に伴う前記作動ガスの膨張により外部から吸熱して冷熱を生ずる吸熱部と、前記シリンダ内に形成された圧縮空間内における前記ピストンの往復動に伴う前記作動ガスの圧縮により外部に放熱する放熱部とを有するスターリング冷凍機と、該スターリング冷凍機の軸線と平行に筒状に形成された放熱用熱交換器と、前記放熱部と前記放熱用熱交換器とを接続手段にて接続してなる閉回路と、該閉回路内で冷媒を循環させる搬送手段とを備え、前記放熱用熱交換器の内周面と前記スターリング冷凍機の外周面との間に円筒状の隙間が形成されるようにこれらをユニット化し、該ユニットの一端に前記軸線を中心に回転する送風ファンを設け、該送風ファンにより前記隙間に向けて送風するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
この構成によると、スターリング冷凍機の駆動によりウォームセクションで発生する熱は、搬送手段により閉回路内を循環する冷媒によって放熱用熱交換器に搬送され、この放熱用熱交換器を介して外部に放熱される。さらに、送風ファンからの送風によって放熱用熱交換器のフィン表面からの放熱が促進される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係るフリーピストン型スターリング冷凍機の断面図であり、まずこの冷凍機の動作原理について説明する。
【００１４】
ピストン２はリニアモータ６により駆動され、共振用バネ５により正弦運動する。ピストン２の往復動に伴い圧縮空間８内の作動ガスは正弦的な圧力変動を示す。この作動ガスの圧力変動は、シリンダ９ａ内のディスプレーサ１を軸方向に運動させる力に変換され、ディスプレーサ１が共振用バネ５'によりピストン２と所定の位相差（例えば９０°）を維持しながら正弦運動する。
【００１５】
圧縮空間８で圧縮された作動ガスは、ウォームセクション（放熱部）１０にて圧縮熱を放出し、ディスプレーサ１内にある再生器３で予冷され膨張空間７内に流入する。一方、膨張空間７内の作動ガスは、ディスプレーサ１の動きにより膨張してスターリング冷凍機本体９の先端に配されたコールドセクション（吸熱部）４を介して外部から吸熱するため、このコールドセクション４において極低温の冷熱が得られる。
【００１６】
次に、本実施形態に係るスターリング冷凍システムの概略的な構成を図２に示す。図２は、一例として、コールドセクション４が左側になるよう横臥方向にスターリング冷凍機本体９が配された場合を示しており、スターリング冷凍機本体９の右側の端部からウオームセクション１０の右横にかけての部分には、円筒状に形成された放熱用熱交換器１１が配設されている。尚、この図においては、放熱用熱交換器１１の構成を分かりやすくするためスターリング冷凍機本体９の軸線より上方にある部分については、断面を示している。
【００１７】
ウォームセクション１０には該ウォームセクション１０から放出される熱を伝達するリング状のジャケット１２が嵌着されている。該ジャケット１２は、リング状にて内部に空間を有する形状であり、図３に示すように、コの字状のリング１２ａと該リング１２ａの開放側を密閉する平板１２ｂとから構成される。
【００１８】
リング１２ａの中心を通って互いに対向する２カ所には、配管１４の接続口１３，１３が設けられており、一方の接続口１３は循環ポンプ１５を介して後述する一対のヘッダー管１９，１９のうちの一方のヘッダー管１９の接続口１３に配管１４で接続されている。
【００１９】
そして、リング１２ａの他方の接続口１３は配管１４にて他方のヘッダー管１９の接続口１３に接続されることで完全な閉回路を形成している。この閉回路内には冷媒１６としてエチルアルコール等の流体が封入されており、循環ポンプ１５の駆動により、冷媒１６が矢印の方向に閉回路内で循環されるようになっている。
【００２０】
放熱用熱交換器１１は、図４に示すように、隣接して併設され前記配管１４の接続口１３を有する一対のヘッダー管１９，１９と、該ヘッダー管１９，１９の一方から他方へ連通接続されるとともに前記軸線を中心としてリング状に所定の幅で並設される複数の凝縮管１７，１７，１７・・・と、前記複数の凝縮管１７，１７，１７・・・の間に狭着されるフィン１８，１８，１８・・・とから構成される。
【００２１】
環状形状の放熱熱交換器１１の作製手順としては、ヘッダー管１９，１９の切り込み部分に複数の凝縮管１７，１７，１７・・・を差し込んだ後、治具に固定し一定寸法を保つようにする。その後、凝縮管１７と凝縮管１７との間にフィン１８を挟み込み、治具上で放熱用熱交換器１１の形状が形成される。
【００２２】
その治具に組み込んだ状態で、約６２０℃程度に設定された炉内に運び込み、各部品の嵌合部や密着部の一部を溶融させて固定する。その後、炉内より運び出し冷却した熱交換器１１を、治具に沿わせながら湾曲させていき、ヘッダー管１９を含めて３６０℃のリング形状を形成する。そして、ヘッダー管１９，１９の一端に接続口１３，１３を設ける。
【００２３】
このように放熱用熱交換器１１をリング形状に形成することにより、ヘッダー管１９，１９同士が近接又は密接した状態となるが、ヘッダー管１９，１９の間に、樹脂等の熱伝導性の低い材料からなるスペーサ２０を挟持させることにより、放熱用熱交換器１１の作製の全工程が終了する。
【００２４】
スペーサ２０の役割の一つは、治具に沿わせて湾曲することでリング状に形成した放熱用熱交換器１１が、湾曲させる前の形に戻ろうとする復元力を抑えてリング状を維持させるためヘッダー管１９，１９を保持することである。もう一つは、ヘッダー管１９は冷媒の入口又は出口として機能するため、ヘッダー管１９，１９同士が密着していた場合、ヘッダー管１９，１９間で熱交換が起こり、放熱効果が低減してしまうので、樹脂等の熱伝導性の低い材料からなるスペーサ２０を介在させることで、ヘッダー管１９、１９同士での熱交換を防止するという役割を果たしている。
【００２５】
そして、冷蔵庫の機械室等の底面に固定するための取り付け脚としての役割もある。また、ヘッダー管１９自体は、フィン１８と直接接触していないため、熱交換にあまり寄与しないデッドスペースとなるが、この部分が下方に位置するように放熱用熱交換器１１を配設することで、有効に熱交換が行われるフィン１８を広い空間に向かわせることができるため、熱交換効率の向上が図られる。
【００２６】
凝縮管１７の断面構造を図５に示すと、凝縮管１７は扁平多孔管にて形成されており、その内部には三角トラス状の補強リブが形成されている。該凝縮管１７はアルミニウムの押し出し成形により容易に作製できる。図中のＷは凝縮管１７の幅を示し、Ｔはその厚みを示している。
【００２７】
凝縮管１７と凝縮管１７との間に狭着されたフィン１８は、図６に示すように、薄いアルミニウム箔を一定間隔で屈曲してコルゲート状に蛇行させることにより形成され、凝縮管１７に対して平行に配設されたものである。
【００２８】
スターリング冷凍機の駆動によりウォームセクション１０にて発生する圧縮熱は、ジャケット１２を介して冷媒１６に伝達され、更に冷媒１６の循環によって放熱用熱交換器１１に導かれ、放熱用熱交換器１１を介して外部に放熱される。
【００２９】
尚、本実施形態におけるジャケット１２の構成は、コの字形状のリング１２ａと平板１２ｂを組み合わせたものであったが、扁平形状に形成した管をウォームセクション１０に密着させて巻き付ける構成であってもよい。
【００３０】
＜第２の実施形態＞本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。図７は本実施形態に係るスターリング冷凍システムの概略的な構成を示す外観図である。この図において、図２に示す上記第１の実施形態と共通の部材には同一の符号を附し、その詳細な説明を省略する。
【００３１】
本実施形態に特徴的な構成を図７を参照して説明する。放熱用熱交換器１１の右側の端部、即ちスターリング冷凍機本体９の反対側にはスターリング冷凍機の軸線を中心に回転する送風ファン２５が配され、一方の左側の端部には遮蔽板２６が取り付けられている。遮蔽板２６は、送風ファン２５の回転により発生する空気２７が放熱用熱交換器１１を通過してウォームセクション１０側に漏れないように遮断している。
【００３２】
送風ファン２５の回転により起風された空気２７の流れは、放熱用熱交換器１１の内側をスターリング冷凍機本体９に沿って流れ、遮蔽板２６に反射され、放熱用熱交換器１１のフィン１８間を抜けて外部に放出される。これにより、放熱用熱交換器１１からの放熱が促進される。尚、放熱用熱交換器１１による熱交換能力は、図８に示すように、送風ファン２５の風量を変化させることでコントロールできる。
【００３３】
スターリング冷凍機は、上述したようにピストン２をリニアモータ６にて駆動し、コールドセクション４により低温を得る構成であることから、リニアモータ６に印加する電圧を変化させることで、ピストン２の往復動の振幅を変化させることができる。
【００３４】
リニアモータ６に印加する電圧を時間と共に上昇させると、それに応じてピストン２の振幅が増加し、限られた圧縮空間８内で圧縮される作動ガスの圧力は順次上昇する。それに伴い、膨張空間７内でディスプレーサ１により作動ガスが膨張して、コールドセクション４を介して吸熱される熱量も増大するので、いっそう低温の冷熱が得られることとなる。
【００３５】
一方、圧縮空間８内の作動ガスの圧力が上昇することで、ウォームセクション１０にて発生する圧縮熱も増大する。従って、その増大した圧縮熱を効率よく放熱させなければ、スターリング冷凍機の冷却能力は低下し、コールドセクション４の温度が上昇するという問題が生ずる。
【００３６】
そこで、本実施形態では、スターリング冷凍機が極めて低出力で運転されているときは、送風ファン２５を回転させないで、循環ポンプ１５を駆動してウォームセクション１０の熱量を放熱用熱交換器１１に搬送して放熱させる。スターリング冷凍機の出力が上がるに従い、送風ファン２５に入力を加えて放熱用熱交換器１１における放熱量を増大させる。
【００３７】
上記のようにスターリング冷凍機の能力は、リニアモータ６に印加する電圧をリニアに上昇させることができるから、その能力に応じた風量を得るべく送風ファン２５への入力を制御すればよい。そして、リニアモータ６への入力を上げれば、送風ファン２５への入力を上昇させ、逆にリニアモータ６への入力を下げれば、送風ファン２への入力を下げるように制御を行う。
【００３８】
更に、スターリング冷凍機の最大能力出力時においては、循環ポンプ１５への入力を上げて冷媒の循環量を増大させるとともに、送風ファン２５への入力も上げてフィン１８間の風速も増大させ、ウォームセクション１０において発生する圧縮熱の放熱を促進させる。
【００３９】
尚、本実施形態においては、送風ファン２５の起動により起風された空気２７は、放熱用熱交換器１１の内側を冷凍機本体９に沿って流れ、放熱用熱交換器１１のフィン１８間を抜けて外部に放出させる場合について説明したが、逆向きの流れ、つまり放熱用熱交換器１１の周囲から吸い込み、放熱用熱交換器１１の内側を冷凍機本体９に沿って流れ、送風ファン２５の後方に排気する方式でも同様の効果が得られる。
【００４０】
図９はスターリング冷凍システムを搭載した冷却装置の一例である冷蔵庫の概略的な外観斜視図である。冷蔵庫本体３０は断熱材により囲まれて庫内が形成されており、その庫内は仕切板にて複数の冷却室に分割されている。
【００４１】
冷蔵庫本体３０の背面下部には、図１０に示すような機械室ユニット３１がビス等により着脱可能に設置されている。その機械室ユニット３１の内部には、上記第１または第２の実施形態で説明したスターリング冷凍機本体９や放熱用熱交換器１１等を組み合わせたスターリング冷凍システム３２と、冷蔵庫本体３０内の奥方に形成される冷気流路（図示せず）に冷気吹出口３６で連通接続される冷気ダクト３３と、冷蔵庫の様々な部品を電気的に制御する電送ボックス３４とが配設されている。
【００４２】
スターリング冷凍システム３２のコールドセクション４は、冷気ダクト３３内に位置するように配されており、このコールドセクション４の先端は同じく冷気ダクト３３内に配設された直方体形状の冷却器３５の側面に密接している。従って、コールドセクション４で生じた冷熱は冷却器３５に伝達されここに蓄積されるようになっている。
【００４３】
冷却器３５の下流側には送風ファン３８が配されており、その送風ファン３８の入力により、冷却器３５内部のハニカム状の空間に冷却器３５の下方から上方に空気の流を起こし、該冷却器３５が蓄積した冷熱をリブの表面から冷気に受け渡す。
【００４４】
その冷気は冷気ダクト３３の冷気吹出口３６より冷気通路を経由して冷蔵庫本体３０の庫内へ搬送される。庫内を冷却しながら循環した冷気は、冷気ダクト３３の冷気戻り口３７から冷却器３５の上流側に戻る。
【００４５】
尚、本実施形態では庫内に冷気を直接送出してこれを冷却する場合について説明したが、従来の技術で述べた特開平７−１８０９２１号公報に開示されているような冷気が循環する閉回路からフィンを介して庫内空気と熱交換させ、ファンで送風して冷却するような方式を採用しても何ら差し支えない。また、本実施形態では、冷却装置として冷蔵庫を例にして説明したが、これはあくまで一例であり、他の冷却装置、例えば、小型の保冷庫や冷凍庫等に上記の冷凍機ユニットを着脱可能に設けてもよい。
【００４６】
＜参考例１＞参考例１について図面を参照して説明する。本参考例は、上記第２の実施形態の変形である。放熱用熱交換器１１において、熱交換効率を向上させる方法としては、まずフィン１８のピッチを狭めて熱交換に寄与する表面積をかせぐことが考えられる。冷蔵庫等の冷却装置では、通常スターリング冷凍機、コンプレッサ等の冷凍機の機械部品は本体下部の機械室内に配置される。この機械室内は放熱のために外部の風の流れが生じるように形成されている。
【００４７】
そのため、フィン１８のピッチを狭めた放熱用熱交換器１１では、塵埃が侵入しやすくなり、塵埃がフィン１８間に詰まり、かえって熱交換効率が低下する問題が懸念される。本実施形態はこの問題に鑑み、フィン１８のピッチをあまり縮小せずに熱交換能力を向上を図ったものである。
【００４８】
本参考例の特徴的な構成を図１２及び図１３を参照して説明すると、放熱用熱交換器１１に示すように、放熱用熱交換器１１の凝縮管１７間に狭着されたフィン１８は、凝縮管１７の周縁部よりｄだけ外側に延長され、凝縮管１７の幅Ｗにｄを加えたＷ＋ｄの長さとしている。
【００４９】
このとき、熱交換流体である空気２７は、図１３に示すように、放熱用熱交換器１１の内周側Ａから外周側Ｂへフィン１８間を通って放出されるようになっている。フィン１８は空気２７の入口部１８ａと出口部１８ｂでの温度分布が異なるので、温度の比較的低い入口部１８ａよりも空気２７とフィン１８との温度差が大きい出口部１８ｂの方が熱交換に寄与する割合が高くなるものである。
【００５０】
フィン１８の幅と冷凍能力の関係を図１４に示すと、フィン１８の幅Ｗ（イ）、Ｗ＋ｄ（ロ），（ハ）のいずれの場合でも送風ファン２５の風量が上昇すると、概ね冷凍能力も向上する傾向にある。本実施形態のように、フィン１８の幅をＷ＋ｄ（ロ）としたときは、フィン１８の幅がＷ（イ）の場合に比べて約２０％熱交換効率が向上した。
【００５１】
また、同様にフィン１８の幅がＷ＋ｄ（ハ）の放熱用熱交換器１１を使用し、空気２７の流れの逆向き、つまり図１３の矢印と反対方向に流すようにした場合は、スターリング冷凍機の冷凍能力はフィン１８の幅がＷ（イ）のときより８％程度であるが、本実施形態の優位性が実証された。
【００５２】
尚、本参考例においては、送風ファン２５の起動により起風された空気２７は、放熱用熱交換器１１の内側を冷凍機本体９に沿って流れ、放熱用熱交換器１１のフィン１８間を抜けて外部に放出させる場合について説明したが、逆向きの流れ、つまり放熱用熱交換器１１の周囲から吸い込み、放熱用熱交換器１１の内側を冷凍機本体９に沿って流れ、送風ファン２５の後方に排気する方式の場合、内側方向にフィン１８をｄだけ延ばすことにより同様の効果が得られる。
【００５３】
＜参考例２＞参考例２について図面を参照して説明する。図１５は、本実施形態に係るスターリング冷凍システムの放熱用熱交換器の構成を示す模式的な断面図である。尚、この図１５は、放熱用熱交換器１１の構成をわかりやすくするため二次元的な断面で示しているが、実際の形状は、図２に示すように、ヘッダー管１９，１９が隣接する円筒状をしているものとする。
【００５４】
放熱用熱交換器１１において、熱交換効率を向上させる方法としては、次に凝縮管１７の本数を増やすことにより、それらの凝縮管１７間に嵌着されるフィン１８の数を増やして熱交換に寄与する表面積をかせぐことが考えられる。
【００５５】
しかしながら、凝縮管１７の本数を増大させた場合、ヘッダー管１９から分岐する凝縮管１７が多いほど内部を流通する冷媒１６に圧損がかかりやすくなり、流入した冷媒１６が各凝縮器１７を均一に流れないことにより、かえって熱交換効率が低下することがある。
【００５６】
本参考例の特徴的な構成を図１５を参照して説明すると、ヘッダー管１９，１９に連通接続されるリング状の１２本の凝縮管１７がある。そして、図中の左側のヘッダー管１９の長手方向の中央、つまり凝縮管１７の６本目と７本目との間にヘッダー管１９内部を上下に仕切る仕切板２８が設けられている。
【００５７】
この仕切板２８はヘッダー管１９と同じ材料のアルミニウムにて形成された円板である。ヘッダー管１９には予め、凝縮管１７の６本目と７本目との間に切り込みを設けておき、放熱用熱交換器１１を形成する工程のうち、治具上に固定する時に仕切板２８を前記切り込みに差し込んでおく。その治具に組み込んだ状態で、放熱用熱交換器１１を約６２０℃に設定された炉内に運び込み、各部品を溶着させて固定する。
【００５８】
次に、冷媒の流れについて説明する。循環ポンプ１５が駆動されると、左側のヘッダー管１９の上側に配された接続口１３から冷媒１６が流入し、ヘッダー管１９内の仕切板２８の手前まで冷媒１６は移動し、上半分の空間に満たされた後、上から１本目から６本目の凝縮管１７内を均等に流れて右側のヘッダー管１９内に流入する。更に、冷媒１６は右側ヘッダー管１９内を下方に移動し、７本面から１２本目の凝縮管１７内を均等に流れて左側のヘッダー管１９を経由して下方の接続口１３から排出される。
【００５９】
尚、本参考例においては、凝縮管１７の本数が１２本である放熱用熱交換器１１について説明したが、スターリング冷凍機の出力が大きくなり、それに伴い、放熱用熱交換器１１の凝縮管１７の本数が更に増えた場合には、ヘッダー管１９内を仕切る仕切板２８の枚数を増やして冷媒の凝縮管１７を右から左、又は左から右へと移動する往復回数をかせぎ、各凝縮管１７に均等に冷媒１６を流してやる工夫が必要である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、スターリング冷凍機の駆動により圧縮熱が放熱されるウォームセクションとスターリング冷凍機本体の周囲に設けた円筒状の放熱用熱交換器とを配管にて接続して閉回路を形成し、該閉回路内で冷媒を循環させるようにした上、前記放熱用熱交換器の内周面と前記スターリング冷凍機の外周面との間に円筒状の隙間が形成されるようにこれらをユニット化し、該ユニットの一端に前記軸線を中心に回転送風ファンを設け、該送風ファンにより前記隙間に向けて送風するようにしたので、スターリング冷凍機の駆動によりウォームセクションで発生する熱は、搬送手段により閉回路内を循環する冷媒によって放熱用熱交換器に搬送され、この放熱用熱交換器を介 して外部に放熱される。さらに、送風ファンからの送風によって放熱用熱交換器のフィン表面からの放熱が促進され、効率よく放熱できるコンパクトなスターリング冷凍システムの実現が可能となる。
【００６１】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るフリーピストン型スターリング冷凍機の一例の断面図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態に係るスターリング冷凍システムの概略的な構成を示す側面図である。
【図３】 そのスターリング冷凍システムのジャケットの構造を示す断面図である。
【図４】 そのスターリング冷凍システムの放熱用熱交換器の構成を示す上面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図５】 その放熱用熱交換器の凝縮管の断面図である。
【図６】 その放熱用熱交換器の要部の構造を示す模式的な図である。
【図７】 本発明の第２の実施形態に係るスターリング冷凍システムの概略的な構成を示す側面図である。
【図８】 そのスターリング冷凍システムの送風ファンの風量と放熱用熱交換器による熱交換能力の関係を示すグラフである。
【図９】 本発明の第２の実施形態に係る冷蔵庫の概略的な外観斜視図である。
【図１０】 その冷蔵庫の機械室ユニットの斜視図である。
【図１１】 従来のスターリング冷蔵庫の一例の概略的な側面断面図である。
【図１２】 参考例１に係るスターリング冷凍システムの放熱用熱交換器の概略的な構成を示す側面図である。
【図１３】 その放熱用熱交換器の要部拡大図である。
【図１４】 そのスターリング冷凍システムの送風ファンの風量とフィンの長さを変えた場合の放熱用熱交換器による熱交換能力の関係を示すグラフである。
【図１５】 参考例２に係るスターリング冷凍システムの放熱用熱交換器の構成を示す模式的な断面図である。
【００６７】
【符号の説明】
１ ディスプレーサ
２ ピストン
３ 再生器
４ コールドセクション
５，５' 共振用バネ
６ リニアモータ
７ 膨張空間
８ 圧縮空間
９ スターリング冷凍機本体
１０ ウォームセクション
１１ 放熱用熱交換器
１２ ジャケット
１３ 接続口
１４ 配管
１５ 循環ポンプ
１６ 冷媒
１７ 凝縮管
１８ フィン
１９ ヘッダー管
２０ スペーサ
２５，３８ 送風ファン
２６ 遮蔽板
２７ 空気
２８ 仕切板
３０ 冷蔵庫本体
３１ 機械室ユニット
３２ スターリング冷凍システム
３３ 冷気ダクト
３４ 電送ボックス
３５ 冷却器
３６ 冷気吹出口
３７ 冷気戻り口
Claims (1)
- 作動ガスが封入されたシリンダ内を所定の位相差で往復動するピストン及びディスプレーサと、前記シリンダ内に形成された膨張空間内における前記ディスプレーサの往復動に伴う前記作動ガスの膨張により外部から吸熱して冷熱を生ずる吸熱部と、前記シリンダ内に形成された圧縮空間内における前記ピストンの往復動に伴う前記作動ガスの圧縮により外部に放熱する放熱部とを有するスターリング冷凍機と、
該スターリング冷凍機の軸線と平行に筒状に形成された放熱用熱交換器と、
前記放熱部と前記放熱用熱交換器とを接続手段にて接続してなる閉回路と、
該閉回路内で冷媒を循環させる搬送手段とを備え、
前記放熱用熱交換器の内周面と前記スターリング冷凍機の外周面との間に円筒状の隙間が形成されるようにこれらをユニット化し、該ユニットの一端に前記軸線を中心に回転する送風ファンを設け、該送風ファンにより前記隙間に向けて送風するようにしたことを特徴とするスターリング冷凍システム。
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