JP3784286B2 - スターリング冷凍機用熱交換器およびスターリング冷蔵庫 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、逆スターリングサイクルによるスターリング冷凍機に用いられるスターリング冷凍機用熱交換器、およびそれを備えたスターリング冷蔵庫に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで家庭用冷蔵庫に用いられてきた冷凍サイクルは、圧縮機により作動媒体を圧縮して液化し、気化熱を冷熱として取り出す蒸気圧縮式冷凍サイクルである。しかし、上記作動媒体は、オゾン層破壊や地球温暖化の原因となるため、地球環境への配慮から全世界的にその使用が規制されている。
【０００３】
一方、冷熱または高熱を取り出すことができる熱サイクルである逆スターリングサイクルでは、上記のような地球環境に影響を及ぼすおそれのある作動媒体を使用する必要はない。このため、逆スターリングサイクルを用いた冷凍装置であるスターリング冷凍機およびこれを用いたスターリング冷蔵庫の研究開発が進められている。このスターリング冷凍機では、作動媒体にヘリウムや窒素などの不活性ガスを用いる。
【０００４】
スターリング冷凍機は外部動力によりピストンとディスプレーサを稼動させることによって作動媒体の圧縮と膨張とを繰り返す密閉サイクルである。作動媒体が、圧縮される部分では外部に放熱し、また、膨張される部分では外部から吸熱する。すなわち、圧縮部が高温部になり、膨張部が低温部を構成する。
【０００５】
冷蔵庫内の冷却は、スターリング冷凍機の低温部であるコールドヘッドに接続された低温側熱交換器（とくに混同を生じない場合、熱交換器と記す）によって、冷蔵庫内を循環する空気から吸熱することにより行われる。また、同時に、スターリング冷凍機の高温部であるウォームヘッドに接続された高温側熱交換器によって、冷蔵庫の外へ熱が放熱される。上記の吸熱と放熱とは、スターリング冷凍機において表裏の関係にあり、並行して進行する。
【０００６】
スターリング冷凍機は、従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルと異なり、冷凍機の効率向上のために作動媒体流路の容積をできるだけ小さく構成することが求められる。しかし、コールドヘッドおよびウォームヘッドともに伝熱面積を小さくした上で、冷蔵庫に必要な数百ワットの冷凍能力を得るには多くの困難をともなう。たとえば、上記の条件下では、効率的な熱搬送が行えない結果として、冷凍機への入力が増大してしまう場合が生じる。
【０００７】
図６において、スターリング冷凍機の低温部では、再生器１６４を経て圧縮部から送り込まれた作動媒体は、ディスプレーサ１６５によって膨張室１６７にて膨張され、冷熱を生じる。この冷熱は、低温側内部熱交換器１６３を経て、コールドヘッド１６２に伝えられる。低温部から冷蔵庫内への冷熱の伝達を効率よく行うために、図６に示すように、スターリング冷凍機１６０のコールドヘッド１６２の先端部に低温側熱交換器１００を接続する。低温側熱交換器１００は、中空の基板部１０１とフィン部１０３とを備える。基板部１０１の中空領域には冷媒が充填されており、基板部１０１をヒートパイプとして機能させる。このため、スターリング冷凍機１６０で発生した冷熱は、コールドヘッド１６２を通じて基板部１０１に伝達される。この後、基板部はヒートパイプの冷媒の凝縮と蒸発により均熱化される。この均熱化により、庫内空気と熱交換するフィン部１０３とコールドヘッド１６２との間の温度差を低くできる。この結果、効率よく庫内を所定温度に冷却することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
スターリング冷凍機１６０の内部において、作動媒体であるヘリウムと直接熱交換する低温側内部熱交換器１６３は、コールドヘッド１６２の円筒内面に密着するように配置されている。しかしながら、コールドヘッド１６２の先端に基板部１０１の平坦表面を接触させるだけでは、たとえば、コールドヘッドの部分で熱伝導が発生したりする。コールドヘッドで熱伝導が生じると、コールドヘッドで温度上昇が生じ、温度損失が発生する。冷凍冷蔵庫の使用温度に比べて、スターリング冷凍機の作動冷媒は、より低温である必要がある。また、上記コールドヘッドでの熱伝導は作動媒体の高温化をもたらすものであり、冷凍システム全体の冷凍効率の低下を生じさせる。
【０００９】
本発明は、効率よくコールドヘッドから吸熱でき、かつ冷凍システム全体の冷凍効率を高めたスターリング冷凍機用熱交換器およびそれを備えたスターリング冷蔵庫を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のスターリング冷凍機用熱交換器は、スターリング冷凍機の端部に位置する冷熱部から冷熱を受けて空気にその冷熱を供給する低温側熱交換器である。この熱交換器は、内部に冷媒を含み、端部から冷熱を受ける中空の基板と、基板上に設けられ、空気との熱交換を行うフィンと、端部に対向するように基板に設けられ、端部が挿入されるように配置された筒状部とを備える（請求項１）。
【００１１】
この構成により、上記筒状部は、コールドヘッドよりも低温部側に位置する低温側内部熱交換器からコールドヘッド側壁を通して冷熱を受け取り、基板部に伝達することができる。このため、上記熱交換器は効率よく低温部から冷熱を受けることができる。また、コールドヘッドでの熱伝導が抑制されるので、作動冷媒を高温化することが避けられ、冷凍システム全体の冷凍効率を向上することが可能となる。なお、スターリング冷凍機は、通常、円筒形なので、コールドヘッド等も円筒形をとり、上記筒状部は円筒形状をとる場合が多い。スターリング冷凍機が角型であれば、上記筒状部もそれに合わせた角筒状とする。筒状部内面とコールドヘッド外面とは、できるだけ熱伝導を確保するような配置、たとえば、間に何も介在させない場合は、密着するように接触させることが望ましい。
【００１２】
上記本発明のスターリング冷凍機用熱交換器では、筒状部を構成する壁が中空であり、基板の内部と連通している構成とすることができる（請求項２）。
【００１３】
この構成によれば、円筒部から基板部へと冷媒が内部の中空を拡散する。このため、コールドヘッド側部から基板部への冷熱の伝達を促進し、フィン部とコールドヘッドとの温度差を低減することができる。
【００１４】
上記本発明のスターリング冷凍機用熱交換器では、先端側ほど細くなるテーパ形状の端部に適合するように、筒状部はスターリング冷凍機に向かって広がるテーパ形状がついているようにできる（請求項３）。
【００１５】
この構成によれば、筒状部とコールドヘッドとの接触圧力を向上させることができる。この結果、両者間の接触熱抵抗を低減し、フィン部とコールドヘッドとの温度差を低減することができる。
【００１６】
上記本発明のスターリング冷凍機用熱交換器では、円筒状の端部に適合するように、筒状部が円筒状であるように構成できる（請求項４）。
【００１７】
通常のスターリング冷凍機のシリンダ部は円筒状であり、安価にスターリング冷凍機を形成することができる。したがって、格別にたとえば角断面とする必要性がない場合、上記の構成により、安価で効率のよい熱交換器を得ることが可能になる。
【００１８】
上記本発明のスターリング冷凍機用熱交換器では、円筒部の内径が円筒状端部の外径よりも小さくなるようにできる（請求項５）。
【００１９】
この構成では、コールドヘッドへの上記熱交換器の接続には焼嵌めなどを行なうことを前提としている。たとえば、円筒部を加熱して径を広げ、コールドヘッドを挿入して冷却するか、またはコールドヘッドを冷却して円筒部に挿入して常温にするなどの手法を用いる。このため、低温側熱交換器とコールドヘッドとの接触圧力を高めることができ、接触熱抵抗を低くすることができる。また、コールドヘッドを十分に熱収縮させるか、または円筒部を十分に熱膨張させるので、接触部の加工精度を高める必要がなくなり、製造コストを減少させることができる。上記の手法を用いない場合には、コールドヘッドと円筒部との密着性を確保するために、非常に高い加工精度が要求される。上記構成は、このような非常に高い加工精度の要求を不要とすることができる。
【００２０】
上記本発明のスターリング冷凍機用熱交換器では、スターリング冷凍機用熱交換器が筒状部を縦割りに分割する面によって２分割され、端部がその分割された筒状部の間に挟着される構成とできる（請求項６）。
【００２１】
この構成によっても、非常に高い加工精度を要求することなく、接触熱抵抗を減少させることができる。たとえば、２分割された熱交換器によってコールドヘッドを挟んで、その２つの熱交換器の部分が互いに相手側の部分に引き寄せられる部材を設ける。この結果、製造コストを低減することが可能となる。
【００２２】
上記本発明のスターリング冷凍機用熱交換器では、冷媒が、炭酸ガス、炭化水素、アンモニアおよびアセトンのうちの少なくとも１つであるようにできる（請求項７）。
【００２３】
これにより、基板に含まれる冷媒にフロン等を用いないので、微量でオゾン層を破壊するガスを排除する構成とすることができる。また、上記の冷媒は、その使用量から見て、地球温暖化への影響はほとんど無視できるものである。
【００２４】
本発明のスターリング冷蔵庫は、上記のいずれかのスターリング冷凍機用熱交換器を備え、スターリング冷凍機用熱交換器から冷熱を受けた空気を冷蔵庫内に導入する通路と、スターリング冷凍機からの放熱を受けた空気を冷蔵庫外に排出する通路とを備える（請求項８）。
【００２５】
この構成により、微量でオゾン層を破壊するフロン等を用いずに、効率を向上させたスターリング冷凍機を備えた冷蔵庫を得ることが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のスターリング冷蔵庫の断面構成図である。また、図２は、図１に用いられる熱交換器の断面図である。図１において、冷蔵庫本体１は、断熱材２および開閉扉３によって取り囲まれている。冷蔵庫内は、仕切板４によって仕切られている。上部には最も低温の冷凍室１ａが、次いで冷蔵室１ｂが、下部には最も常温に近い野菜室４が、それぞれ配置されている。冷凍室の上方には、冷蔵庫外に連通する通路も兼ねる機械室５が設けられている。この機械室には、スターリング冷凍機６が設置されている。スターリング冷凍機６のウォームヘッド３１には高温側熱交換器７が取り付けられており、ウォームヘッド３１に伝達された温熱は、高温側熱交換器７に伝達される。さらにこの温熱は、放熱ファン８によって冷蔵庫外へ強制的に排出される。
【００２８】
コールドヘッド３２は、冷蔵庫本体１の背面に設けられた冷風ダクト９に臨んでいる。コールドヘッド３２の先端には低温側熱交換器１０が取り付けられる。冷風ファン１２によって、各庫内の空気が循環し、低温側熱交換器１０と熱交換する。冷風ファン１２は、冷凍室１ａおよび冷蔵室１ｂの負荷状態に応じて適当な風量が循環されるように制御がかけられている。冷蔵室１ｂと野菜室１ｃとは、仕切板４に設けた通風管１４により連通しており、冷蔵室１ｂを循環する冷風の一部が野菜室へ導入される。
【００２９】
図２を参照して、再生器３４を経て低温側内部熱交換器３３に送り込まれた作動媒体は、ディスプレーサ３５によって膨張室３７に引き込まれ、冷熱を発生する。この冷熱は、低温側内部熱交換器３３を経て、また膨張室から直接、コールドヘッド３２に伝達される。コールドヘッド３２はヘリウムのガス圧に耐えうるように円筒形の先端壁は比較的肉厚に形成し、側壁は肉薄とする。コールドヘッド３２の側壁を肉薄とすることは、内部熱交換器３３から円筒部２２への熱伝導性を向上するのに有効である。
【００３０】
低温側熱交換器１０は、アルミや銅など良熱伝導性の材料で構成する。この低温側熱交換器１０は、中空２１ａを含む基板部２１と、基板部２１に取り付けられた円筒部２２と、基板部２１に取り付けられた複数のフィン２３を備える。円筒部２２およびフィン２３ともに、アルミや銅で構成され、基板部２１にろう付け等により取り付けられる。
【００３１】
基板部２１の内部の中空領域２１ａには冷媒が充填されており、基板部をヒートパイプとして機能させる。このため、基板部において、良好な熱拡散を得ることができる。この冷媒には、二酸化炭素などの炭酸ガスや、プロパン、ブタン、ペンタンなどの炭化水素ガス、アンモニア、またはアセトン等を用いる。上記冷媒は、冷蔵庫で用いる温度範囲０℃〜−４０℃で有効であり、かつオゾン層を破壊せず、地球温暖化係数が小さい。
【００３２】
円筒部２２の内面および／またはコールドヘッド３２の外面には、熱伝導性の高いシリコングリス１３などを被覆させ、円筒部とコールドヘッドとの接触熱抵抗を低下させている。また、接触熱抵抗を低下させるためには、円筒部２２の内径とコールドヘッド３２の外径の嵌め合い精度、すなわち真円度の加工精度を高めることによっても可能である。
【００３３】
円筒部２２は、内部熱交換器３３の直上にあるように配置されるので、コールドヘッドの冷熱を効率よく低温側熱交換器１０に熱伝達することができる。
【００３４】
上記実施の形態１における円筒部およびコールドヘッドを変形した本発明例を図３に示す。図３では、円筒部２２およびコールドヘッド３２の両方の接触面にテーパを付けている。このような接触面をテーパ状とすることにより、接続後に充分低い接触熱抵抗を得ることができる。
【００３５】
上記実施の形態１における円筒部およびコールドヘッドを変形したさらに別の本発明例として次のものがある。円筒部２２の内径をｄとし、コールドヘッド３２の外径をＤと表すとき、ｄ＜Ｄとなるように、円筒部２２およびコールドヘッド３２を形成する。両者を接続する直前に低温側熱交換器１０を加熱する工程、および／またはコールドヘッド３２を冷却する工程を行う。接続後、熱膨張および／または熱収縮が発生し、その結果生じる残留応力を利用することができる。この結果、円筒部とコールドヘッドとの間に大きな接触圧力が生じ、良好な熱伝達を得ることができる。
【００３６】
上記のコールドヘッド３２の冷却に際して、スターリング冷凍機を運転し、そこで発生する冷熱を利用することができる。
【００３７】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機用熱交換器およびスターリング冷凍機の低温部の先端部の断面構成図である。本実施の形態では、低温側熱交換器１０の円筒部２２の内部に中空領域２２ａが設けられ、その中空領域２２ａが基板部２１の中空領域２１ａと連通している。
【００３８】
円筒部の中空領域２２ａと基板部の中空領域２１ａとが連通しているため、両方の中空領域に共通の冷媒が充填される。このため、円筒部も凝縮部として用い、ヒートパイプを拡大して動作させることができる。したがって、基板部の熱拡散性をさらに向上させることができる。この結果、スターリング冷凍機を用いた冷蔵庫の冷凍効率をさらに向上させることができる。
【００３９】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機用熱交換器およびスターリング冷凍機の低温部の先端部の断面構成図である。本実施の形態では、低温側熱交換器が、円筒部の中心軸を通る面で２つの部分１０ａ，１０ｂに分割されている。このような構成によれば、２つの部分１０ａ，１０ｂによってコールドヘッド３２を挟み込んで密着させることができる。挟み込んで密着固定させる方法としては、バンド部材によって突き合せた円筒部を巻き回して締め付ける方法、両方の円筒部にねじ孔を設けてボルトとナットで締め付ける方法などがある。この場合、円筒部の内径をコールドヘッドの外径より少し小さめに設定することにより、加工精度をそれほど高くしなくても密着性を確保することができる。また、フィンの取り付けを２つの小部分に分けて行うことによってフィン取付作業が容易化、高能率化されるメリットも得ることができる。このため、製造コストを低減することが可能である。
【００４０】
上記の密着させる挟み込みにより、コールドヘッド３２と円筒部２２との間の接触熱抵抗を低減することができる。このため、スターリング冷凍機を用いた冷蔵庫の冷凍効率をさらに向上させることができる。
【００４１】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００４２】
【発明の効果】
上記本発明の請求項１のスターリング冷凍機用熱交換器によれば、筒状部は、コールドヘッドよりも低温部側に位置する低温側内部熱交換器からコールドヘッド側壁を通して冷熱を受け取り、基板部に効率よく伝達することができる。
【００４３】
また、請求項２のスターリング冷凍機用熱交換器によれば、円筒部から基板部へと冷媒が中空領域を拡散する。このため、コールドヘッド側部から基板部への冷熱の伝達を促進し、フィン部とコールドヘッドとの温度差を低減することができる。
【００４４】
請求項３のスターリング冷凍機用熱交換器によれば、筒状部とコールドヘッドとの接触圧力を向上させることができる。この結果、両者間の接触熱抵抗を低減し、フィン部とコールドヘッドとの温度差を低減することができる。
【００４５】
請求項４のスターリング冷凍機用熱交換器によれば、通常のスターリング冷凍機のシリンダ部は円筒状であり、格別、たとえば角断面とする必要性がない場合、安価で効率のよい熱交換器を得ることが可能になる。
【００４６】
請求項５のスターリング冷凍機用熱交換器によれば、熱交換器とコールドヘッドとの接触圧力を高めることができ、接触熱抵抗を低くすることができる。また、コールドヘッドを十分に熱収縮させるか、または円筒部を十分に熱膨張させるので、接触部の加工精度を高める必要がなくなり、製造コストを減少させることができる。
【００４７】
請求項６のスターリング冷凍機用熱交換器によれば、非常に高い加工精度を要求することなく、接触熱抵抗を減少させることができる。たとえば、２分割された熱交換器によってコールドヘッドを挟んで、その２つの熱交換器の部分が互いに相手側の部分に引き寄せられる部材を設ける。この結果、製造コストを低減することが可能となる。
【００４８】
請求項７のスターリング冷凍機用熱交換器によれば、基板に含まれる冷媒にフロン等を用いないので、微量でオゾン層を破壊するガスを排除する構成とすることができる。また、上記の冷媒は、その使用量から見て、地球温暖化への影響はほとんど無視できるものである。
【００４９】
請求項８のスターリング冷蔵庫によれば、上記のいずれかのスターリング冷凍機用熱交換器を備えるので、微量でオゾン層を破壊するフロン等を用いずに、効率を向上させたスターリング冷凍機を備えた冷蔵庫を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１におけるスターリング冷蔵庫の断面構成図である。
【図２】 図１のスターリング冷凍機用熱交換器およびスターリング冷凍機の低温部の先端部の断面構成図である。
【図３】 実施の形態１を変形した本発明例におけるスターリング冷凍機用熱交換器およびスターリング冷凍機の低温部の先端部の断面構成図である。
【図４】 本発明の実施の形態２におけるスターリング冷凍機用熱交換器およびスターリング冷凍機の低温部の先端部の断面構成図である。
【図５】 本発明の実施の形態３におけるスターリング冷凍機用熱交換器およびスターリング冷凍機の低温部の先端部の断面構成図である。
【図６】 従来のスターリング冷凍機用熱交換器およびスターリング冷凍機の低温部の先端部の断面構成図である。
【符号の説明】
１ 冷蔵庫、２ 断熱材、３ 扉、４ 仕切板、５ 機械室（放熱通路）、６スターリング冷凍機、７ 高温側熱交換器、８ 放熱ファン、９ 冷風ダクト（冷風通路）、１０ 低温側熱交換器（熱交換器）、１２ 冷風ファン、１３ グリス（接触補助剤）、１４ 連通孔、２１ 基板部、２１ａ 基板部の中空領域、２２ 円筒部、２２ａ 円筒部の中空領域、２３ フィン、３１ ウォームヘッド、３２ コールドヘッド、 ３３ 低温側内部熱交換器、３４ 再生器、３５ ディスプレーサ、３７ 膨張室。

Claims (4)

1. スターリング冷凍機の端部に位置する冷熱部から冷熱を受けて空気にその冷熱を供給する低温側熱交換器であって、
   内部に冷媒を含み、前記端部から前記冷熱を受ける中空の基板と、
   前記基板上に設けられ、前記空気との熱交換を行うフィンと、
   前記端部に対向するように前記基板に設けられ、前記端部が挿入されるように配置された筒状部とを備える、スターリング冷凍機用熱交換器。
2. 前記筒状部を構成する壁が中空であり、前記基板の内部と連通している、請求項１に記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
3. 先端側ほど細くなるテーパ形状の前記端部に適合するように、前記筒状部は前記スターリング冷凍機に向かって広がるテーパ形状がついている、請求項１または２に記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
4. 前記請求項１〜３のいずれかに記載の前記スターリング冷凍機用熱交換器を備え、前記スターリング冷凍機用熱交換器から冷熱を受けた空気を冷蔵庫内に導入する通路と、
   前記スターリング冷凍機からの高熱を受けた空気を冷蔵庫外に排出する通路とを備えた、スターリング冷蔵庫。

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