JP3878924B2 - Stirling refrigerator - 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に関し、特に、フリーピストン型スターリング冷凍機に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、スターリング冷凍機を使用したスターリング冷却装置は知られており、該スターリング冷却装置の一例が、たとえば特開平11−223404号公報に記載されている。
【0003】
上記文献に記載のスターリング冷却装置は、作動ガスを封入し、冷却ヘッドおよび放熱用熱交換器を有するスターリング冷凍機と、上記冷却ヘッドにおいて冷却される冷熱冷媒が流される冷熱冷媒管路と、冷熱冷媒管路の一端に設けられた冷熱冷媒の入口栓および他端に設けられた出口栓とを備える。そして、冷熱冷媒の出口栓および入口栓を冷熱利用機器の冷熱冷媒管路に着脱可能に接続することにより、スターリング冷却装置と冷熱利用機器の間で冷熱冷媒の循環管路を形成して冷熱利用機器に冷熱を搬送する。
【0004】
上記冷却ヘッドには熱交換流路が形成され、該熱交換流路内を冷熱冷媒が流れる。冷熱冷媒は、冷却ヘッドにおいて冷却された後に冷熱利用機器に送られ、冷熱利用機器内で冷凍あるいは冷却作用を行う。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−223404号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献に記載のスターリング冷却装置では、作動ガスは、蓄冷器で冷却された後に低温室(膨張空間)に流入する。そして、該作動ガスが低温室で膨張して冷熱が発生し、冷却ヘッドを介して外部への冷熱の取出しが行われる。そのため、低温室から外部への冷熱の取出し効率が低くなるという問題があった。
【0007】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、膨張空間で発生する冷熱を効率的に外部に取出すことが可能となるスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスターリング冷凍機は、1つの局面では、作動媒体を封入した圧力容器に組付けられたシリンダと、該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の往復運動で圧力変動するように圧力容器内に形成される圧縮空間および膨張空間と、圧縮空間と膨張空間とを連通しシリンダの外側に配置された筒状の連通路と、連通路に配置された再生器と、圧力容器内であって再生器の膨張空間側に配置され膨張空間内で発生した冷熱を取り込む内部熱交換器と、圧力容器における膨張空間側の端部を閉じ、内部熱交換器の外側にまで延在するキャップ部材と、内部熱交換器の外側に位置してキャップ部材に設けられ、冷熱を外部に取り出す外部熱交換器とを備える。
【0009】
このように圧力容器内に熱交換器を設置し、直接的に冷熱を取り出すようにすることにより、熱交換器の表面が、圧力容器の外部に位置する外部空間に露出するのを回避することができる。それにより、熱交換器と外部空間との熱交換量を低減することができ、作動媒体からの冷熱を効率的に熱交換器へ伝達することができる。
【0010】
本発明に係るスターリング冷凍機は、他の局面では、上記のシリンダ、ピストン、ディスプレーサ、圧縮空間および膨張空間と、該圧縮空間と膨張空間とを連通する連通路に配置された再生器と、圧力容器内であって再生器の膨張空間側に配置され前記膨張空間内で発生した冷熱を取り込む内部熱交換器と、圧力容器内に内部熱交換器と接触して設置され前記冷熱を外部に取り出す外部熱交換器とを備える。
【0011】
本局面のように圧力容器内に内部熱交換器と接触して外部熱交換器を設置することにより、内部熱交換器からの冷熱を直接外部熱交換器に伝達することができる。したがって、作動媒体からの冷熱を内部熱交換器を介して効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。
【0012】
上記内部熱交換器と外部熱交換器を一体化させることが好ましい。たとえば一方を他方に装着あるいは圧入したり、何らかの部材を用いて連結することが考えられる。この場合には、両者を密着させることができ、さらに伝熱効率を向上することができる。また、スターリング冷凍機への組付けも容易に行える。
【0013】
本発明に係るスターリング冷凍機は、さらに他の局面では、上記のシリンダ、ピストン、ディスプレーサ、圧縮空間および膨張空間と、該圧縮空間と膨張空間とを連通しシリンダの外側に配設された筒状の連通路と、連通路に配置された再生器と、圧力容器内であって再生器の膨張空間側に配置され前記膨張空間内で発生した冷熱を取り込む内部熱交換器と、内部熱交換器の内側に設置され前記冷熱を外部に取り出す外部熱交換器とを備える。
【0014】
このように外部熱交換器を内部熱交換器の内側に設置した場合には、外部熱交換器を内部熱交換器に接触あるいは近接させることができる。この場合も、作動媒体からの冷熱を内部熱交換器を介して効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。
【0017】
上記のスターリング冷凍機は、圧力容器における膨張空間側の端部を閉じるキャップ部材(閉塞部材)を備えることが好ましい。この場合、キャップ部材を低熱伝導率材料で形成する。なお、低熱伝導率材料とは、ステンレス或いはステンレスと同等以下の熱伝導率を有する材料を言う。
【0018】
このようにキャップ部材を低熱伝導率材料で形成することにより、作動媒体からの冷熱がキャップ部材を介して圧力容器の外部に位置する外部空間へ伝達する量を低減することができる。したがって、冷熱のロスを低減することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図7を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【0026】
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるスターリング冷凍機の断面図である。図1に示すように、本実施の形態1のスターリング冷凍機1は、ベッセル部10を有する圧力容器(ケーシング)11と、該圧力容器11に組付けられたシリンダ2と、シリンダ2内で往復運動するピストン3およびディスプレーサ4と、シリンダ2の外側であって後述する連通路23内に配置された筒状の再生器5と、圧縮空間(第1作動空間)6と、膨張空間(第2作動空間)7と、放熱部(ウォームヘッド)8と、吸熱部(コールドヘッド)9と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ12と、ピストンスプリング13と、ディスプレーサスプリング14と、背圧空間15と、吸熱部9側の内部熱交換器16と、吸熱部9側の外部熱交換器17と、キャップ部材(閉塞部材)18と、放熱部8側の内部熱交換器20と、放熱部8側の外部熱交換器21と、冷媒配管19,22と、圧縮空間6と膨張空間7とを連通する連通路23とを備える。
【0027】
圧力容器11は、スターリング冷凍機1の外殻(外壁)を構成する部分であり、シリンダ2をはじめとする種々の部品が該圧力容器11に組付けられる。図1の例では、圧力容器11は、単一の容器で構成されず、背圧空間15を規定するとともにリニアモータ12を受け入れるベッセル部10と、放熱部8、再生器5および吸熱部9の外周を囲む外壁部分と、キャップ部材18とで主に構成される。該圧力容器11の内部には、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。
【0028】
シリンダ2は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン3とディスプレーサ4とを往復運動可能に受け入れる。シリンダ2内においてピストン3とディスプレーサ4とは同軸上に間隔をあけて配置され、ピストン3とディスプレーサ4とはシリンダ2内でそれぞれ往復運動する。なお、ディスプレーサ4は、シリンダ2内でピストン3に対し所定の位相差で往復運動する。
【0029】
上記のピストン3およびディスプレーサ4によってシリンダ2内の作動空間が圧縮空間6と膨張空間7とに区画される。圧縮空間6と膨張空間7との間には再生器5が配設されており、この再生器5を介して両空間が連通する。それにより、スターリング冷凍機1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3およびディスプレーサ4の動作に合わせて流動することにより、逆スターリングサイクルが実現する。
【0030】
シリンダ2の外側には、リニアモータ12を配設する。このリニアモータ12によって、シリンダ2の軸方向にピストン3を駆動する。ピストン3の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング13と接続される。該ピストンスプリング13は、ピストン3に弾性力を付与する弾性力付与手段として機能し、該ピストンスプリング13とリニアモータ12により、シリンダ2内でピストン3を所望の振幅、周期でに往復運動させることが可能となる。
【0031】
ピストン3に対しディスプレーサ4と反対側には、圧力容器11のベッセル部10によって囲まれた背圧空間15が配設されている。この背圧空間15内にも、作動媒体が存在する。
【0032】
本実施の形態1では、圧力容器11内に、膨張空間7で発生する冷熱を外部に取り出す外部熱交換器17を設置している。それにより、外部熱交換器17の表面が圧力容器11の外部に位置する外部空間に露出するのを回避することができる。したがって、外部熱交換器17と外部空間との間の熱交換量を低減することができ、作動媒体からの冷熱を直接的に外部熱交換器17へ伝達することができる。その結果、膨張空間7で発生する冷熱を効率的に外部に取出すことが可能となる。
【0033】
ここで、外部熱交換器17について、図5および図6を用いて説明する。図5に示すように、外部熱交換器17は典型的には環状の形状を有し、銅、アルミニウムなどの熱伝導率の高い材料で構成される。外部熱交換器17の上面には、1組の開口部17aを設ける。該開口部17aは、冷熱冷媒の供給口あるいは取出口として機能する。この供給口あるいは取出口に、供給管あるいは取出管として機能する後述の冷媒配管19が接続される。
【0034】
図6に示すように、外部熱交換器17本体は、中空構造を有しており、内部空間17bを有する。該内部空間17b内に冷熱冷媒が封入される。外部熱交換器17に使用可能な冷熱冷媒としては、二酸化炭素(CO2)、エチルアルコール、エーテル系フッ素化合物(HFE)、パーフルオロカーボン(PFC)、窒素、ヘリウムなどを挙げることができる。
【0035】
ここで再び図1を参照して、本実施の形態1では、膨張空間7内に外部熱交換器17を配置している。それにより、作動媒体からの冷熱を外部熱交換器17の周囲から直接外部熱交換器17に伝達することができる。したがって、作動媒体からの冷熱を効率的に外部熱交換器17へ伝達することができる。
【0036】
また図1に示すように、圧力容器11内であって再生器5の膨張空間7側に、吸熱部9側の内部熱交換器16を設置する。このように圧力容器11内における作動媒体の流路に内部熱交換器16を設置することにより、再生器5で冷却された作動媒体からの冷熱を効率的に内部熱交換器16に伝達することができる。また、膨張空間7内で冷却された作動媒体からの冷熱も内部熱交換器16に伝達される。
【0037】
内部熱交換器16は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の優れた金属材料で構成することが好ましい。なお、熱伝導率の優れた材料であれば金属材料以外の材料で内部熱交換器16を形成してもよい。
【0038】
ここで、内部熱交換器16の構造例について図7を用いて説明する。図7に示すように、内部熱交換器16は、円筒状の外殻部と、外殻部に内装されるコルゲートフィン16aおよびリング部材16bとを備える。
【0039】
コルゲートフィン16aは、外殻部(実施の形態1においては圧力容器11)の内側に挿入され、金属板を波形に折り曲げて重ねた構造を有している。コルゲートフィン16aは、図7に示すように外殻部の内周面に沿って設置され、該コルゲートフィン16aによって外殻部の内側に作動媒体が通過する環状の流路が形成される。再生器5で冷却された作動媒体が上記の環状の流路を通過する際の冷熱や、膨張空間7内で冷却された作動媒体からの冷熱が、コルゲートフィン16aなどの内部熱交換器16の各要素に伝達される。
【0040】
リング部材16bは、コルゲートフィン16aの内側に圧入される。コルゲートフィン16aは、外殻部の径方向に可撓性を有しているので、リング部材16bがコルゲートフィン16aの内側に圧入されることにより外殻部側へ押し広げられるように変形し、外殻部の内周面に圧着される。
【0041】
ここで再び図1を参照して、外部熱交換器17は、上記の内部熱交換器16の内周と密着して接触し圧力容器11内に設置される。それにより、内部熱交換器16からの冷熱を直接外部熱交換器17に伝達することができる。したがって、作動媒体からの冷熱を内部熱交換器16を介して効率的に外部熱交換器17へ伝達することができる。
【0042】
なお、このとき、外部熱交換器17の外周をテーパ状に形成し、この外部熱交換器を直接コルゲートフィン16aの内側に圧入するようにすれば、リング部材16bを廃止でき好適である。
【0043】
図1の例では、内部熱交換器16の内周面と外部熱交換器17の外周面とを接触させているが、内部熱交換器16と外部熱交換器17とを接触させることができるものであれば、上記以外の内部熱交換器16の表面部分と外部熱交換器17の表面部分とを接触させてもよい。また、内部熱交換器16に組付けることで両者を接触させることも考えられる。
【0044】
内部熱交換器16と外部熱交換器17を一体化することも考えられる。一体化方法としては任意の手法が考えられるが、たとえば装着、圧入、取付具を用いた一体化など採用することができる。このように内部熱交換器16と外部熱交換器17を固定することにより、内部熱交換器16と外部熱交換器17を密着させることができ、内部熱交換器16から外部熱交換器17への伝熱効率を向上することができる。
【0045】
内部熱交換器16と外部熱交換器17を一体化する際には、内部熱交換器16と外部熱交換器17との接触面積が大きくなるように両者を一体化することが好ましい。それにより、内部熱交換器16から外部熱交換器17への伝熱効率をさらに向上することができる。
【0046】
図1の例では、外部熱交換器17を内部熱交換器16の内側に配置している。それにより、外部熱交換器17の外周面を内部熱交換器16の内周面と接触あるいは近接させることができる。外部熱交換器17の外周面の面積は、外部熱交換器17の内周面の面積よりも大きいので、外部熱交換器17の外周面を内部熱交換器16の内周面と接触させた場合には、外部熱交換器17と内部熱交換器16の接触面積を大きくすることができ、作動媒体からの冷熱を内部熱交換器16を介して効率的に外部熱交換器17へ伝達することができる。
【0047】
また、図1の例では、外部熱交換器17を内部熱交換器16の内側に圧入固定している。この場合には、両者を容易に密着させることができ、かつ伝熱効率をも向上することができる。なお、外部熱交換器17と内部熱交換器16との間に、これらの間の隙間を埋めるように熱伝導率の高い材料を設置することも考えられる。
【0048】
さらに、図1の例では、圧力容器11における膨張空間7側の端部を閉じるキャップ部材18は、凹状のプレートで構成される。より詳しくは、キャップ部材18は、圧力容器11の外壁の内側に圧入固定され、キャップ部材18の中央部はディスプレーサ4側に凹んでいる。
【0049】
キャップ部材18は低熱伝導率材料で形成することが好ましい。具体例としてはステンレスが挙げられる。
【0050】
このようにキャップ部材18を低熱伝導率材料で形成することにより、作動媒体からの冷熱がキャップ部材18を介して圧力容器11の外部に位置する外部空間へ放出される量を減じることができる。したがって、冷熱のロスを低減することができる。
【0051】
図1に示すように、外部熱交換器17には1組の冷媒配管19が接続される。一方の冷媒配管19は、外部熱交換器17から冷熱を取り出す冷熱媒体を外部熱交換器17に供給する供給管となり、他方の冷媒配管19は、外部熱交換器17から上記の冷熱媒体を取り出す取出管となる。
【0052】
この1組の冷媒配管19は、圧力容器11における膨張空間7側の端面から外部に延出することが好ましい。図1の例での、1組の冷媒配管19は、キャップ部材18を貫通して、シリンダ2の軸方向、つまりピストン3およびディスプレーサ4が運動する方向に延出している。
【0053】
上述の構成であると、予め外部熱交換器17に装着された一組の冷媒配管19を、キャップ部材18の冷媒配管挿通穴に挿通させて、キャップ部材18を圧力容器11の端部に取付け、圧力容器11にキャップ部材18の外周を溶接するとともに、冷媒配管19とキャップ部材18の冷媒配管挿通穴とを溶接して取り付けが完了する。したがって、冷媒配管19の取付作業を容易に行える。
【0054】
他方、放熱部8側にも、圧力容器11内に内部熱交換器20と外部熱交換器21とを設置する。内部熱交換器20および外部熱交換器21は、上述の吸熱部9側の内部熱交換器16および外部熱交換器17と基本的に同様の構成を有する。
【0055】
放熱部8側の内部熱交換器20は、圧力容器11内であって連通路23内に配置される再生器5の圧縮空間6側に設置される。該内部熱交換器20の外側に、放熱部8側の外部熱交換器21を設置する。より詳しくは、内部熱交換器20の外周面と外部熱交換器21の内周面とが接触するように、内部熱交換器20に外部熱交換器21を外嵌する。
【0056】
外部熱交換器21にも、1組の冷媒配管22が接続される。該1組の冷媒配管22の一方が、外部熱交換器21に冷媒を供給する供給管として機能し、冷媒配管22の他方が、外部熱交換器21から冷媒を取出す取出管として機能する。
【0057】
図1の例では、外部熱交換器21を覆うように圧力容器11の外壁が延在するが、この外壁に1組の冷媒配管22を挿通して1組の冷媒配管22を外部熱交換器21と接続する。
【0058】
次に、本実施の形態1におけるスターリング冷凍機1の動作について説明する。
【0059】
まず、リニアモータ12を作動させてピストン3を駆動する。リニアモータ12によって駆動されたピストン3は、ディスプレーサ4に接近し、圧縮空間6内の作動媒体(作動ガス)を圧縮する。
【0060】
ピストン3がディスプレーサ4に接近することにより、圧縮空間6内の作動媒体の温度は上昇するが、放熱部8によってこの圧縮空間6内に発生した熱が外部へと放出される。このとき、圧縮空間6内に発生した熱は、内部熱交換器20および外部熱交換器21を介して外部に効率的に放出される。そのため、圧縮空間6内の作動媒体の温度はほぼ等温に維持される。本過程が、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。
【0061】
ピストン3がディスプレーサ4に接近した後にディスプレーサ4は吸熱部9側に移動する。ピストン3によって圧縮空間6内において圧縮された作動媒体は再生器5内に流入し、さらに膨張空間7へと流れ込む。その際、作動媒体の持つ熱が再生器5に蓄熱される。本過程が、逆スターリングサイクルの等容冷却過程に相当する。
【0062】
膨張空間7内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ4がピストン3側へ移動することにより膨張する。これにより、膨張空間7内の作動媒体の温度は下降する。この作動媒体からの冷熱を、上記の内部熱交換器16および外部熱交換器17を介して外部に効率的に取出すことができる。なお、吸熱部9によって外部の熱が膨張空間7内へと伝熱されるため、膨張空間7内はほぼ等温に保たれる。本過程が、逆スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。
【0063】
その後、ディスプレーサ4がピストン3から遠ざかる方向に移動し始める。それにより、膨張空間7内の作動媒体は再生器5を通過して再び圧縮空間6側へと戻る。その際、再生器5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。本過程が、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当する。
【0064】
上記の一連の過程(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9は徐々に低温になり、極低温を有するに至る。
【0065】
(実施の形態2)
次に、図2を用いて、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態2では、圧力容器内であって吸熱部側の内部熱交換器の外側に、膨張空間で発生する冷熱を外部に取り出す外部熱交換器を設置する。それにより、実施の形態1の場合と同様に、外部熱交換器の表面が圧力容器の外部に位置する外部空間に露出するのを回避することができ、作動媒体からの冷熱を効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。
【0066】
図2に示すように、吸熱部9側の外部熱交換器17は、圧力容器11内に設置され、吸熱部9側の内部熱交換器16の外側に配置されている。より詳しくは、外部熱交換器17の内周面と内部熱交換器16の外周面とが接触するように、外部熱交換器17は内部熱交換器16に外嵌されている。
【0067】
また、図2の例では、吸熱部9側の外部熱交換器17と放熱部8側の外部熱交換器21とがほぼ同様の構造を有している。それに伴い、外部熱交換器17と接続される冷媒配管19が、圧力容器11の筒状部に挿通され、シリンダ2の径方向に延出している。これ以外の構成については、実施の形態1と同様である。
【0068】
(実施の形態3)
次に、図3を用いて、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態3では、圧力容器内であって再生器の膨張空間側に複数の内部熱交換器を配置し、該内部熱交換器間に、膨張空間で発生する冷熱を外部に取り出す外部熱交換器を設置する。
【0069】
このように内部熱交換器間に外部熱交換器を配置することにより、外部熱交換器の両側から内部熱交換器を介して、作動媒体からの冷熱を外部熱交換器に伝達することができる。それにより、作動媒体からの冷熱を内部熱交換器を介して効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。
【0070】
特に、内部熱交換器と外部熱交換器とを接触させることにより、内部熱交換器と外部熱交換器との間に複数の接触面を設けることができ、内部熱交換器と外部熱交換器との間の接触面積を増大することができる。それにより、作動媒体からの冷熱を、さらに効率的に内部熱交換器を介して外部熱交換器へ伝達することができる。
【0071】
図3の例では、シリンダ2の径方向に複数の内部熱交換器160,161を間隔をあけて配置し、この内部熱交換器160,161間に外部熱交換器17を設置している。外部熱交換器17の内周面は、内部熱交換器160の外周面と接触し、外部熱交換器17の外周面は、内部熱交換器161の内周面と接触する。これ以外の構成は、実施の形態1の場合とほぼ同様である。
【0072】
(実施の形態4)
次に、図4を用いて、本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態4では、圧力容器における膨張空間側の端部を閉じるキャップ部材(閉塞部材)と内部熱交換器と接触させ、キャップ部材の内部に、膨張空間で発生する冷熱を外部に取り出す外部熱交換器を設けている。このとき、上記の実施の形態と異なり、キャップ部材は、銅やアルミニウムといった高熱伝導率の材料にて形成する。
【0073】
上記のようにキャップ部材と内部熱交換器とを接触させることにより、内部熱交換器からキャップ部材に直接冷熱を伝達することができる。それにより、内部熱交換器からキャップ部材に効率的に冷熱を伝達することができる。
【0074】
キャップ部材の内部には外部熱交換器が設られているので、キャップ部材に伝達された冷熱を効率良く外部熱交換器に伝達することができる。したがって、作動媒体からの冷熱を、内部熱交換器を介して効率的に外部熱交換器へ伝達することができる。
【0075】
また、キャップ部材を内部熱交換器の外側にまで延在させ、内部熱交換器の外側に位置するキャップ部材の内部に外部熱交換器を設けてもよい。この場合には、外部熱交換器を内部熱交換器と接触あるいは近接させることができ、作動媒体からの冷熱を、内部熱交換器を介して外部熱交換器へ効率的に伝達することができる。
【0076】
図4の例では、キャップ部材18の周縁部を屈曲させ、キャップ部材18を内部熱交換器16に外嵌している。そして、キャップ部材18の屈曲した周縁部の内部に冷熱冷媒が循環する冷媒通路を設けることにより、キャップ部材18に外部熱交換器17を設けている。
【0077】
尚、外部熱交換器17は必ずしもキャップ部材18の内部に設ける必要は無く、キャップ部材18の外周部に溝を設けて、その溝にキャップ部材18とは別体の蓋を被せて溶接し、一体的に形成しても良い。
【0078】
また、キャップ部材18のディスプレーサ4と対向する面に、キャップ部材18と一体的に内部熱交換器16を設けるとともに、外部熱交換器17をキャップ部材18の内部熱交換器16と対向する位置又はその周縁に配置するようにしてもよい。
【0079】
また、上記の冷媒通路に達する1組の貫通孔をキャップ部材18に設け、該貫通孔に1組の冷媒配管19をそれぞれ挿通している。これ以外の構成については、実施の形態1と基本的に同様である。
【0080】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上述の各実施の形態の特徴を適宜組合せることも当初から予定されている。
【0081】
また、今回開示された実施の形態はすべ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すべての変更が含まれることが意図される。
【0082】
【発明の効果】
本発明によれば、作動媒体からの冷熱を効率的に外部熱交換器へ伝達することができるので、膨張空間で発生する冷熱を効率的に外部に取出すことが可能となる。
【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凍機の断面図である。
【図2】 本発明の実施の形態2におけるスターリング冷凍機の断面図である。
【図3】 本発明の実施の形態3におけるスターリング冷凍機の断面図である。
【図4】 本発明の実施の形態4におけるスターリング冷凍機の断面図である。
【図5】 本発明の実施の形態におけるスターリング冷凍機において使用可能な外部熱交換器の一例の斜視図である。
【図6】 図5に示す外部熱交換器の断面図である。
【図7】 本発明の実施の形態におけるスターリング冷凍機において使用可能な内部熱交換器の一例の斜視図である。
【符号の説明】
1 スターリング冷凍機、2 シリンダ、3 ピストン、4 ディスプレーサ、5 再生器、6 圧縮空間、7 膨張空間、8 放熱部、9 吸熱部、10 ベッセル部、11 圧力容器、12 リニアモータ、13 ピストンスプリング、14 ディスプレーサスプリング、15 背圧空間、16,20,160,161 内部熱交換器、16a コルゲートフィン、16b リング部材、17,21 外部熱交換器、17a 開口部、17b 内部空間、18 キャップ部材、19,22 冷媒配管、23 連通路。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Stirling refrigerator, and more particularly to a free piston type Stirling refrigerator.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a Stirling cooling device using a Stirling refrigerator is known, and an example of the Stirling cooling device is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-223404.
[0003]
The Stirling cooling device described in the above document includes a Stirling refrigerator that encloses a working gas and has a cooling head and a heat exchanger for heat dissipation, a cold refrigerant pipe through which a cold refrigerant cooled in the cooling head flows, A refrigerant inlet plug provided at one end of the refrigerant pipe and an outlet plug provided at the other end are provided. Then, by connecting the outlet plug and the inlet plug of the refrigeration refrigerant to the refrigeration refrigerant pipe of the refrigeration equipment, the refrigeration refrigerant circulation pipe is formed between the Stirling cooling device and the refrigeration equipment to use the chill. Convey cold heat to equipment.
[0004]
A heat exchange channel is formed in the cooling head, and a cold refrigerant flows through the heat exchange channel. The cold refrigerant is cooled by the cooling head and then sent to the cold energy utilization device, and performs refrigeration or cooling in the cold energy utilization device.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 11-223404 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the Stirling cooling apparatus described in the above document, the working gas flows into the low temperature chamber (expansion space) after being cooled by the regenerator. Then, the working gas expands in the low temperature chamber to generate cold heat, and the cold heat is taken out through the cooling head. Therefore, there has been a problem that the efficiency of taking out the cold heat from the low temperature chamber is lowered.
[0007]
This invention was made in order to solve said subject, and it aims at providing the Stirling refrigerator which can take out the cold heat which generate | occur | produces in expansion space outside efficiently.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In one aspect, the Stirling refrigerator according to the present invention includes a cylinder assembled in a pressure vessel enclosing a working medium, a piston that reciprocates within the cylinder, and a reciprocating motion with a phase difference with respect to the piston within the cylinder. Displacer and reciprocating motion of piston and displacer In the pressure vessel so that the pressure fluctuates A compression space and an expansion space formed; A cylindrical communication path that communicates the compression space and the expansion space and is disposed outside the cylinder, a regenerator disposed in the communication path, and an expansion space that is disposed on the expansion space side of the regenerator in the pressure vessel. An internal heat exchanger that takes in the cold generated inside, a cap member that closes the end of the pressure vessel on the expansion space side and extends to the outside of the internal heat exchanger, and is located outside the internal heat exchanger Provided in the cap member, Remove cold heat Outside A heat exchanger.
[0009]
By installing a heat exchanger in the pressure vessel and taking out the cold heat directly in this way, it is possible to avoid exposing the surface of the heat exchanger to the external space located outside the pressure vessel. Can do. Thereby, the amount of heat exchange between the heat exchanger and the external space can be reduced, and the cold energy from the working medium can be efficiently transmitted to the heat exchanger.
[0010]
In another aspect, the Stirling refrigerator according to the present invention includes the above-described cylinder, piston, displacer, compression space, and expansion space, a regenerator disposed in a communication path that connects the compression space and the expansion space, and a pressure. An internal heat exchanger that is disposed in the expansion space side of the regenerator and takes in the cold generated in the expansion space, and is placed in contact with the internal heat exchanger in the pressure vessel and takes out the cold heat to the outside. An external heat exchanger.
[0011]
By installing the external heat exchanger in contact with the internal heat exchanger in the pressure vessel as in this aspect, the cold heat from the internal heat exchanger can be directly transmitted to the external heat exchanger. Therefore, the cold heat from the working medium can be efficiently transmitted to the external heat exchanger via the internal heat exchanger.
[0012]
The internal heat exchanger and the external heat exchanger are preferably integrated. For example, it is conceivable to attach or press-fit one to the other, or connect using some member. In this case, both can be adhered and heat transfer efficiency can be further improved. Also, it can be easily assembled to a Stirling refrigerator.
[0013]
In still another aspect of the Stirling refrigerator according to the present invention, the cylinder, the piston, the displacer, the compression space and the expansion space, and a cylindrical shape that communicates the compression space and the expansion space and is disposed outside the cylinder. A communication path, a regenerator disposed in the communication path, an internal heat exchanger disposed in the expansion space side of the regenerator in the pressure vessel and taking in the cold generated in the expansion space, and an internal heat exchanger And an external heat exchanger that takes out the cold heat to the outside.
[0014]
When the external heat exchanger is installed inside the internal heat exchanger as described above, the external heat exchanger can be brought into contact with or close to the internal heat exchanger. Also in this case, the cold heat from the working medium can be efficiently transmitted to the external heat exchanger via the internal heat exchanger.
[0017]
The Stirling refrigerator described above preferably includes a cap member (closing member) that closes an end of the pressure vessel on the expansion space side. In this case, the cap member is formed of a low thermal conductivity material. In addition, low thermal conductivity material Is This refers to stainless steel or a material having a thermal conductivity equal to or lower than that of stainless steel.
[0018]
Thus, by forming the cap member with a low thermal conductivity material, the amount of cold heat from the working medium transmitted to the external space located outside the pressure vessel via the cap member can be reduced. Therefore, the loss of cold heat can be reduced.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0026]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a Stirling refrigerator in Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the Stirling refrigerator 1 of the first embodiment includes a pressure vessel (casing) 11 having a
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
The
[0030]
A
[0031]
A
[0032]
In the first embodiment, an
[0033]
Here, the
[0034]
As shown in FIG. 6, the
[0035]
Here, referring again to FIG. 1, in the first embodiment, an
[0036]
Further, as shown in FIG. 1, an
[0037]
The
[0038]
Here, a structural example of the
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
Here, referring again to FIG. 1, the
[0042]
At this time, if the outer periphery of the
[0043]
In the example of FIG. 1, the inner peripheral surface of the
[0044]
It is also conceivable to integrate the
[0045]
When integrating the
[0046]
In the example of FIG. 1, the
[0047]
In the example of FIG. 1, the
[0048]
Further, in the example of FIG. 1, the
[0049]
The
[0050]
By forming the
[0051]
As shown in FIG. 1, a set of
[0052]
This set of
[0053]
With the above-described configuration, a set of
[0054]
On the other hand, the
[0055]
The
[0056]
A set of
[0057]
In the example of FIG. 1, the outer wall of the
[0058]
Next, operation | movement of the Stirling refrigerator 1 in this Embodiment 1 is demonstrated.
[0059]
First, the
[0060]
When the
[0061]
After the
[0062]
The high-pressure working medium that has flowed into the
[0063]
Thereafter, the
[0064]
By repeating the above series of processes (isothermal compression process-isovolume cooling process-isothermal expansion process-isothermal heating process), an inverse Stirling cycle is configured. As a result, the
[0065]
(Embodiment 2)
Next,
[0066]
As shown in FIG. 2, the
[0067]
In the example of FIG. 2, the
[0068]
(Embodiment 3)
Next,
[0069]
By arranging the external heat exchanger between the internal heat exchangers in this way, the cold heat from the working medium can be transmitted to the external heat exchanger from both sides of the external heat exchanger via the internal heat exchanger. . Thereby, the cold heat from a working medium can be efficiently transmitted to an external heat exchanger via an internal heat exchanger.
[0070]
In particular, by contacting the internal heat exchanger and the external heat exchanger, a plurality of contact surfaces can be provided between the internal heat exchanger and the external heat exchanger, and the internal heat exchanger and the external heat exchanger can be provided. The contact area between the two can be increased. Thereby, the cold heat from a working medium can be more efficiently transmitted to an external heat exchanger via an internal heat exchanger.
[0071]
In the example of FIG. 3, a plurality of
[0072]
(Embodiment 4)
Next,
[0073]
By bringing the cap member and the internal heat exchanger into contact with each other as described above, cold heat can be directly transmitted from the internal heat exchanger to the cap member. Thereby, cold heat can be efficiently transmitted from the internal heat exchanger to the cap member.
[0074]
Since the external heat exchanger is provided inside the cap member, the cold heat transmitted to the cap member can be efficiently transmitted to the external heat exchanger. Therefore, the cold heat from the working medium can be efficiently transmitted to the external heat exchanger via the internal heat exchanger.
[0075]
Further, the cap member may be extended to the outside of the internal heat exchanger, and the external heat exchanger may be provided inside the cap member positioned outside the internal heat exchanger. In this case, the external heat exchanger can be brought into contact with or close to the internal heat exchanger, and the cold heat from the working medium can be efficiently transmitted to the external heat exchanger via the internal heat exchanger. .
[0076]
In the example of FIG. 4, the peripheral edge of the
[0077]
The
[0078]
In addition, the
[0079]
In addition, a set of through holes reaching the refrigerant passage is provided in the
[0080]
Although the embodiments of the present invention have been described as described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the features of the above-described embodiments.
[0081]
In addition, it should be considered that the embodiment disclosed this time is illustrative and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0082]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the cold heat from the working medium can be efficiently transmitted to the external heat exchanger, the cold heat generated in the expansion space can be efficiently taken out to the outside.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a Stirling refrigerator in a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a Stirling refrigerator in a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a Stirling refrigerator in a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a Stirling refrigerator in a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of an example of an external heat exchanger that can be used in the Stirling refrigerator in the embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view of the external heat exchanger shown in FIG.
FIG. 7 is a perspective view of an example of an internal heat exchanger that can be used in the Stirling refrigerator in the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Stirling refrigerator, 2 cylinders, 3 pistons, 4 displacer, 5 regenerator, 6 compression space, 7 expansion space, 8 heat radiation part, 9 heat absorption part, 10 vessel part, 11 pressure vessel, 12 linear motor, 13 piston spring, 14 displacer spring, 15 back pressure space, 16, 20, 160, 161 internal heat exchanger, 16a corrugated fin, 16b ring member, 17, 21 external heat exchanger, 17a opening, 17b internal space, 18 cap member, 19 , 22 Refrigerant piping, 23 communication path.
Claims (4)
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、
前記ピストンとディスプレーサの往復運動で圧力変動するように前記圧力容器内に形成された圧縮空間および膨張空間と、
前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通し前記シリンダの外側に配置された筒状の連通路と、
前記連通路に配置された再生器と、
前記圧力容器内であって前記再生器の膨張空間側に配置され前記膨張空間内で発生した冷熱を取り込む内部熱交換器と、
前記圧力容器における膨張空間側の端部を閉じ、前記内部熱交換器の外側にまで延在するキャップ部材と、
前記内部熱交換器の外側に位置して前記キャップ部材に設けられ、前記冷熱を外部に取り出す外部熱交換器と、
を備えたスターリング冷凍機。A cylinder assembled in a pressure vessel enclosing a working medium;
A piston that reciprocates within the cylinder;
A displacer that reciprocates with a phase difference with respect to the piston in the cylinder;
A compression space and an expansion space formed in the pressure vessel so that the pressure fluctuates by the reciprocating motion of the piston and the displacer;
A tubular communication passage that communicates the compression space and the expansion space and is disposed outside the cylinder;
A regenerator disposed in the communication path;
An internal heat exchanger that is disposed in the expansion space side of the regenerator in the pressure vessel and takes in the cold generated in the expansion space;
A cap member that closes the end of the pressure vessel on the expansion space side and extends to the outside of the internal heat exchanger;
Located outside of the internal heat exchanger provided in the cap member, and an external heat exchanger to take out the cold to the outside,
Stirling refrigerator equipped with.
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、
前記ピストンとディスプレーサの往復運動で圧力変動するように前記圧力容器内に形成された圧縮空間および膨張空間と、
前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通する連通路に配置された再生器と、
前記圧力容器内であって前記再生器の前記膨張空間側に配置され前記膨張空間内で発生した冷熱を取り込む内部熱交換器と、
前記圧力容器内に前記内部熱交換器と接触して設置され、前記冷熱を外部に取り出す外部熱交換器と、
を備えたスターリング冷凍機。A cylinder assembled in a pressure vessel enclosing a working medium;
A piston that reciprocates within the cylinder;
A displacer that reciprocates with a phase difference with respect to the piston in the cylinder;
A compression space and an expansion space formed in the pressure vessel so that the pressure fluctuates by the reciprocating motion of the piston and the displacer;
A regenerator disposed in a communication path communicating the compression space and the expansion space;
An internal heat exchanger that is disposed in the expansion space side of the regenerator in the pressure vessel and takes in the cold generated in the expansion space;
An external heat exchanger installed in contact with the internal heat exchanger in the pressure vessel and taking out the cold heat to the outside;
Stirling refrigerator equipped with.
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、
前記ピストンとディスプレーサの往復運動で圧力変動するように前記圧力容器内に形成された圧縮空間および膨張空間と、
前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通し、前記シリンダの外側に配設された筒状の連通路と、
前記連通路に配置された再生器と、
前記圧力容器内であって前記再生器の前記膨張空間側に配置され前記膨張空間内で発生した冷熱を取り込む内部熱交換器と、
前記内部熱交換器の内側に設置され、前記膨張空間で発生する冷熱を外部に取り出す外部熱交換器と、
を備えたスターリング冷凍機。A cylinder assembled in a pressure vessel enclosing a working medium;
A piston that reciprocates within the cylinder;
A displacer that reciprocates with a phase difference with respect to the piston in the cylinder;
A compression space and an expansion space formed in the pressure vessel so that the pressure fluctuates by the reciprocating motion of the piston and the displacer;
A cylindrical communication passage that communicates the compression space and the expansion space, and is disposed outside the cylinder;
A regenerator disposed in the communication path;
An internal heat exchanger that is disposed in the expansion space side of the regenerator in the pressure vessel and takes in the cold generated in the expansion space ;
An external heat exchanger that is installed inside the internal heat exchanger and extracts the cold generated in the expansion space to the outside;
Stirling refrigerator equipped with.
前記キャップ部材を低熱伝導率材料で形成した、請求項2または請求項3に記載のスターリング冷凍機。A cap member for closing an end of the pressure vessel on the expansion space side;
The Stirling refrigerator according to claim 2 or 3, wherein the cap member is formed of a low thermal conductivity material.
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