JPH11230629A - スターリング冷却加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スターリング冷凍機を使用し、いろいろ
な産業分野に使用できる、きわめて汎用性の高いスター
リング冷却加熱装置を提供する。 【解決手段】 スターリング冷凍機１の冷却ヘッド４に
冷熱冷媒管路５を、放熱用熱交換器１２に放熱用冷媒回
路１３を夫々接続し、冷熱冷媒管路５及び放熱用冷媒回
路の夫々に設けられた入口栓６、１４及び出口栓７、１
５に、冷熱利用機器８及び温熱利用機器１６を接続可能
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スターリング冷凍
機を使用したスターリング冷却加熱装置であり、食品流
通、環境試験、医療、バイオ産業、半導体製造等の産業
用、あるいは暖冷房、給湯等の家庭用のあるゆる分野に
使用できる、冷却及び加熱に併用可能な、きわめて汎用
性の高いスターリング冷却加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、業務用、家庭用の冷熱、温熱関連
機器の冷却加熱装置としては、フロン（単一、混合冷媒
等）を冷媒として使用した二元冷凍、あるいは二段冷凍
システム等が知られている。そして地球環境問題を背景
とした昨今のフロン規制に対しては、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ
を使用した冷却加熱装置が知られている。

【０００３】しかしながら、上記従来の構成によると、
次のような問題がある。地球環境問題に対する国際的な
取組みの本格化を背景として、今後、特定フロン及び代
替フロンを含めフロン使用の一層の規制が求められる方
向にあり、他の方式の冷却加熱装置の開発の必要性が重
要となっている。又地球環境問題達成のために炭酸ガス
の排気規制が求められるところであるが、この面からエ
ネルギーの有効利用が重要である。

【０００４】又、従来の冷媒としてフロンを使用した冷
却装置は、そのシステムの特性から使用温度領域が狭
く、特に、昨今の各産業分野における技術発展に伴い求
められている超低温領域の実現には、さらなる開発が必
要である。従来の冷却装置は、２元あるいは２段冷凍シ
ステムとなるために構造が複雑であり、コストが高くな
る。そして、従来の冷却装置では恒温維持のための加熱
が難しい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらの従
来の冷却加熱装置の問題を解決することが課題であり、
フロンを使用せずに、広範囲の使用温度での使用が可能
であり、あらゆる分野の冷熱利用機器及び温熱利用機器
の両方又はいずれか一つに着脱自在に接続して利用でき
汎用性及びコンパクト性があり、発生する冷熱及び温熱
の両方を同時に使用可能でエネルギーの有効利用を図る
ことができる冷却加熱装置を提供することである。

【０００６】特に冷熱利用機器としては、広範囲の使用
温度での使用を可能とし、冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式
クーラー等の業務用又は家庭用の冷熱利用機器をはじめ
として、低温液循環器、低温恒温器、恒温槽、ヒートシ
ョック試験装置、凍結乾燥機、温度特性試験装置、血液
・細胞保存装置、コールドクーラ、その他各種の冷熱装
置等のあらゆる産業分野の冷熱利用機器に適用可能なス
ターリング冷却加熱装置を提供することを目的とする。

【０００７】併せて、業務用又は家庭用の暖房機器、給
湯装置をはじめとして、恒温槽、温度特性試験装置、そ
の他各種の温熱機器等のあらゆる産業分野の温熱利用機
器に適用可能なスターリング冷却加熱装置を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、作動ガスを封入し、冷却ヘッド及び放熱
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、上記冷熱冷媒管路の一端に設けられた冷熱冷媒の
入口栓及び他端に設けられた出口栓と、上記放熱用熱交
換器において放熱される放熱冷媒が流される放熱冷媒管
路と、上記放熱冷媒管路の一端に設けられた放熱冷媒の
入口栓及び他端に設けられた出口栓とを具備し、上記冷
熱冷媒の出口栓及び入口栓に、冷熱利用機器を着脱可能
に接続することにより、上記冷熱利用機器に冷熱を搬送
可能とし、上記放熱冷媒の出口栓及び入口栓に、温熱利
用機器を着脱自在に接続することにより、上記温熱利用
機器に温熱を搬送可能とすることを特徴とするスターリ
ング冷却加熱装置、を提供する。

【０００９】さらに、本発明の冷熱冷媒管路には切換弁
を介して外気と熱交換を行なう吸熱器が接続されてお
り、上記切換弁を切換ることにより、上記冷却ヘッドを
上記冷熱利用機器又は上記吸熱器に選択的に接続可能と
し、上記放熱冷媒管路には別の切換弁を介して外気と熱
交換を行なう放熱器が接続されており、上記別の切換弁
を切換ることにより、上記放熱用熱交換器を上記温熱利
用機器又は上記放熱器に選択的に接続可能とし、上記吸
熱器及び放熱器はスターリング冷却加熱装置内に付設さ
れたものである。

【００１０】さらに、本発明のスターリング冷凍機は、
圧縮ピストンを有する圧縮シリンダと、膨張ピストン又
はディスプレーサを有する膨張シリンダとを備えてお
り、上記圧縮ピストンと上記膨張ピストン又はディスプ
レーサとが位相差をもって往復動する。

【００１１】さらに、本発明のスターリング冷凍機の作
動ガスは窒素、ヘリウム又は水素等であり、冷熱冷媒は
エチルアルコール、ＨＦＥ、ＰＦＣ、窒素、ヘリウム又
は油等である。

【００１２】さらに、本発明のスターリング冷凍機の冷
却ヘッドは、膨張シリンダの頂部に冷熱冷媒を流す流路
を設けて成る構成又は膨張シリンダの頂部の周囲に冷熱
冷媒を流すジャケットを配設して成る構成とする。

【００１３】さらに、本発明のスターリング冷却加熱装
置は、冷熱利用機器及び温熱利用機器の両方又はいずれ
か一方の温度制御を行なう制御回路を設けており、特
に、スターリング冷凍機の駆動用のモータを、オンオフ
制御、インバータ制御、又は逆回転するように制御し
て、冷熱利用機器及び温熱利用機器の両方又はいずれか
一方の温度を制御する制御回路を設ける。さらに、本発
明のスターリング冷凍機は、モータを逆回転するように
制御して冷熱利用機器の霜取りを可能とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を実施例に基
づき図面を参照して以下に説明する。図１は、本発明の
スターリング冷却加熱装置の概略を説明する図である。
本発明のスターリング冷却加熱装置は、冷熱利用機器及
び温熱利用機器の両方、あるいはそのいずれか一方に接
続して使用されるユニットである点が特徴であり、実施
例としては、箱型のケースを有するユニットとしてもよ
いし、特にケースを有することのないユニットとしても
よい。以下の実施例のスターリング冷却加熱装置１は、
ケース２を有し、その中にスターリング冷凍機３を配設
して成る構成のものについて説明する。

【００１５】スターリング冷凍機３は、冷却ヘッド４
（低温熱交換器）を有する。冷却ヘッド４には、冷熱冷
媒（スターリング冷凍機３で発生した冷熱を冷凍庫等の
冷熱利用機器に搬送するための冷媒）を循環させる冷熱
冷媒管路５が接続されていて、この冷熱冷媒管路５の両
端はケース２を貫通し、ケース２の外部において冷熱冷
媒の入口栓６と出口栓７が設けられている。

【００１６】本発明のスターリング冷却装置１の使用に
際しては、この入口栓６と出口栓７には、冷凍庫等の冷
熱利用機器８の冷熱冷媒配管９の出口端１０、入口端１
１が着脱自在に接続される。冷熱冷媒管路５の途中には
冷熱冷媒用ポンプＰ１が配設されており、冷熱冷媒をス
ターリング冷凍機３の冷却ヘッド４と冷熱利用機器８と
の間で循環させている。

【００１７】冷熱利用機器８としては、冷凍庫以外に
も、冷蔵庫、投げ込み式クーラー、低温液循環器、各種
の温度特性試験用の低温恒温器、恒温槽、ヒートショッ
ク試験装置、凍結乾燥機、コールドクーラ等があり、本
発明のスターリング冷却装置１は、これらの冷熱利用機
器を選択して上記入口栓６、出口栓７に接続することに
より利用が可能である。

【００１８】又、スターリング冷凍機３は、放熱用熱交
換器１２（高温熱交換器）を有し、この放熱用熱交換器
１２には、放熱冷媒（スターリング冷凍機３で発生した
熱を外部に搬送するための冷媒であり、水等が使用され
る。）を循環させるための放熱冷媒管路１３及び放熱冷
媒用ポンプＰ２が接続されている。放熱冷媒管路１３の
両端はケース２を貫通し入口栓１４及び出口栓１５が設
けられている。

【００１９】本発明のスターリング冷却加熱装置１の使
用に際しては、この入口栓１４と出口栓１５に、温熱利
用機器１６の放熱冷媒配管１７の出口端１８、入口端１
９が着脱自在に接続され、これにより、スターリング冷
凍機３の放熱用熱交換器１２の放熱冷媒管路１３と温熱
利用機器の放熱冷媒配管１７との間で循環回路が形成さ
れ、スターリング冷却加熱装置１により温熱利用機器１
６が加温される。温熱利用機器１６としては、恒温槽、
暖房機器、加熱試験装置、給湯機等がある。

【００２０】図２において、本発明のスターリング冷却
加熱装置１を詳細に説明する。スターリング冷凍機３の
ハウジング２０は鋳物で形成され、ハウジング２０の頂
部にはシリンダ２１が形成されている。このハウジング
２０内は、区画壁２２によってモータ室２３とクランク
室２４とに区画され、このモータ室２３には正逆回転可
能なモータ２５が、クランク室２４には、モータ２５の
回転動作を往復動に変換する回転往復変換機構部２６が
夫々配設されている。モータ室２３の開口２７及びクラ
ンク室の開口２８は、夫々蓋２９、３０で閉止され、ハ
ウジング２０内が半密閉状態に保持される。

【００２１】ハウジング２０内には、区画壁２２を貫通
し、ハウジング壁２０’、区画壁２２及び蓋２９の軸受
部３１に軸支されたクランクシャフト３２が回転可能に
配置されている。モータ２５は、ステータ３３と、この
ステータの内周側に回転可能に配置されたロータ３４と
から構成され、このロータ３４の中央にクランクシャフ
ト３２が固定されている。

【００２２】回転往復変換機構部２６は、クランク室２
４内に延びたクランクシャフト３２のクランク部３５
と、このクランク部３５に連結されたコンロッド３６、
３７と、このコンロッド３６、３７の先端に取り付けら
れたクロスガイドヘッド３８、３９とで構成され、スタ
ーリング冷凍機３の駆動手段として機能している。

【００２３】クロスガイドヘッド３８、３９は、ハウジ
ング２０のシリンダ２１の内壁に設けられたクロスガイ
ドライナ４０、４１内を往復動可能に配置されている。
クランク部３５は、モータ２５の正転時にクランク３５
ｂがクランク３５ａより先行して移動するように、位相
差を付けて形成されている。この位相差は、一般的には
９０度の位相差が採用される。

【００２４】スターリング冷凍機３のハウジング２０の
クランク室２４の上部には、圧縮シリンダ４２と、圧縮
シリンダ４２の若干上方に位置した膨張シリンダ４３と
が配設されている。ハウジング２０、圧縮シリンダ４２
及び膨張シリンダ４３内には、作動ガスとして、例え
ば、ヘリウム、水素、窒素等が封入されている。圧縮シ
リンダ４２は、ハウジング２０にボルト等によって固定
される圧縮シリンダブロック４４を有し、この圧縮シリ
ンダブロック４４の空間内をピストンリング４５の付設
された圧縮ピストン４６が往復摺動して、この空間の上
部（圧縮空間）が高温室４７であり、この中の作動ガス
は圧縮されて高温となる。

【００２５】圧縮ピストンロッド４８は、一端が圧縮ピ
ストン４６に固定し、他端がオイルシール４９を介して
伸び、ピンによってクロスガイドヘッド３８に回動自在
に連結されている。往復動する圧縮ピストン４６は上死
点及び下死点で摺動方向が反転するため、速度がゼロに
なり、上死点及び下死点付近では速度が遅く単位時間当
たりの容積の変化量も小さく、下死点から上死点及び上
死点から下死点に向かって移動するときの夫々の中間点
で最高速度になり、単位時間当たりのピストンの移動に
よる容積の変化量も最大となる。

【００２６】一方、膨張シリンダ４３は、圧縮シリンダ
４２の上部にボルト等によって固定される膨張シリンダ
ブロック５０を有し、この膨張シリンダ４３の空間内を
ピストンリング５１の付設された膨張ピストン５２が往
復摺動して、この空間の上部（膨張空間）が低温室５３
であり、この中の作動ガスが膨張し低温となる。膨張ピ
ストン５２には、膨張ピストンロッド５４の一端が固定
され、膨張ピストンロッド５４の他端はオイルシール５
５を介して伸び、クロスガイドヘッド３９に連結されて
いる。膨張ピストン５２は、圧縮ピストン４６より９０
度の位相だけ先行して移動する。

【００２７】膨張シリンダブロック５０には、図面下か
ら、圧縮シリンダ４２の高温室４７（圧縮空間）に対し
て作動ガスが流入又は流出するマニホールド５６が連通
するように設けられており、さらに放熱用熱交換器１
２、蓄冷器５７及び低温室５３への通路５８が互いに順
次連通して環状に配設されている。圧縮シリンダブロッ
ク４４の上端部近くには、高温室４７とマニホールド５
６を連通する連通孔５９が形成されており、これによ
り、高温室４７（圧縮空間）と低温室５３（膨張空間）
は、連通孔５９、マニホールド５６、放熱用熱交換器１
２、蓄冷器５７及び通路５８を介して互いに順次連通す
るように構成されている。上記通路５８は、この部分に
熱交換器を配してクーラとすることも可能である。

【００２８】膨張シリンダブロック５０の上部には冷却
ヘッド４が形成されている。冷却ヘッド４は、例えば、
図３、図４に示すように、膨張シリンダブロック５０の
頂部に肉厚を大きくした頂壁６０を設け、この頂壁６０
に冷熱冷媒の熱交換流路６１を形成した構成とする。又
は、図７に示すように膨張シリンダブロック５０の頂部
に、ジャケット壁６３を設け、このジャケット壁６３内
に冷熱冷媒を流す構造としてもよい。

【００２９】冷却ヘッド４は冷熱冷媒管路５及び冷熱冷
媒用ポンプＰ１を介して冷熱利用機器８と接続され冷熱
冷媒を循環している。冷熱冷媒としては、エチルアルコ
ール、ＨＦＥ、ＰＦＣ、窒素、ヘリウム、油等が使用さ
れる。

【００３０】又、冷熱冷媒管路５には切換弁としての三
方弁６０、６０を介してファン６１を有する外部と熱交
換を行なう熱交換器６２（吸熱器）が接続されている。
三方弁６０を切り換えることにより、冷却ヘッド４は、
吸熱冷媒管路５及び三方弁６０、６０を介して熱交換器
６２に接続され、冷熱冷媒循環路が形成される。

【００３１】放熱用熱交換器１２は、アニュラータイプ
の熱交換器、例えば、図５、図６に示すようなシェルア
ンドチューブ式熱交換器６０（環状の熱交換室６１内に
作動ガスを流す多数のチューブ６２を軸方向に貫設し
て、放熱用の冷媒（水等）を熱交換室内に流して作動ガ
スの放熱を行う熱交換器。）、あるいは図７に示すよう
に環状の作動ガス流路の周囲に環状のジャケット６４を
配設し、このジャケット６４内に冷媒を流して作動ガス
の放熱を行なう熱交換器等がある。

【００３２】放熱用熱交換器１２は放熱冷媒管路１３及
び放熱冷媒用ポンプＰ２を介して入口栓１４及び出口栓
１５と接続しており、放熱冷媒を流している。放熱用熱
交換器１２で加熱された放熱冷媒は入口栓１４及び出口
栓１５を介して、温熱利用機器１６の放熱冷媒配管１７
に接続され、放熱冷媒循環路が形成される。

【００３３】又、放熱冷媒管路１３には切換弁としての
三方弁６５、６５を介して放熱ファン６６を有する放熱
器６７が接続されている。三方弁６５、６５を切り換え
ることにより、放熱用熱交換器１２は、放熱冷媒管路１
３及び三方弁６５、６５を介して放熱器６７に接続さ
れ、放熱用熱交換器１２で加熱された放熱冷媒循環路が
形成される。

【００３４】本発明のスターリング冷却加熱装置１は、
スターリング冷凍機３を圧縮ピストン４６と膨張ピスト
ン５２を有する２ピストン型とすることにより、スター
リング冷凍機３内の作動ガスの充填された空間の容積変
動を大きくすることによって、冷凍能力及び加熱能力の
大きいスターリング冷凍機３を提供できるようにしてい
る。

【００３５】なお、本発明のスターリング冷却加熱装置
１に、温度制御装置を設ければ、冷熱利用機器８及び温
熱利用機器１６の夫々に温度センサーを設置するだけ
で、スターリング冷却加熱装置１側から冷熱利用機器８
及び温熱利用機器１６夫々について温度制御を行なうこ
とができる。

【００３６】即ち、図８において、冷熱利用機器８及び
温熱利用機器の夫々に温度センサーを配設し、スターリ
ング冷却加熱装置に、温度設定パネルにより温度設定を
可能とする温度制御装置を配設する。この温度制御装置
を構成する温度制御回路内の比較回路において、夫々に
温度センサーで検知した冷熱利用機器８及び温熱利用機
器の温度検出信号と、温熱設定パネルにより設定された
温度と比較し、夫々設定された温度を中心とする許容温
度範囲にあるか否かを判断し、その結果に応じてスター
リング冷凍機３のモータ２５をオンオフ制御又はインバ
ータ制御して、上記許容温度範囲内の温度を保ちながら
運転を行なうことができる。

【００３７】又、モータ２５を逆回転すると、圧縮ピス
トン４６及び膨張ピストン５２は、位相差をもって上記
モータ２５の正転動作の場合と全く逆に、圧縮ピストン
４６は膨張ピストンとして作用して冷熱を発生し、膨張
ピストン５２は圧縮ピストンとして作用して温熱を発生
する。従って、上記温度制御装置の比較回路の結果に応
じてモータ２５を逆転させれば、冷熱利用機器８及び温
熱利用機器１６の温度を急速に制御することを可能と
し、上記許容温度範囲内の温度を保ちながら運転を行な
うことができる。

【００３８】なお、冷熱利用機器８及び温熱利用機器１
６を同時使用する場合には、一方の温度制御を行なうと
他方の温度が設定温度範囲より外れることが考えられ
る。例えば、冷熱利用機器８の温度が許容範囲より上昇
した場合、モータ２５の出力を増加すれば、冷熱利用機
器８は許容温度範囲に低下させて戻せるが、温熱利用機
器１６の温度が許容範囲より一時的に上昇するようなこ
とが生じる。

【００３９】このような場合の対策としていくつかの手
段がある。例えば、温度制御の重点を冷熱利用機器８又
は温熱利用機器１６のいずれか一方に絞る。又は、三方
弁６５（又は６０）を切換えて放熱用熱交換器（又は冷
却ヘッド）を放熱器（又は吸熱器）に接続して、放熱冷
媒（冷熱冷媒）の温熱利用機器１６（又は冷熱利用機器
８）へ温熱（又は冷熱）の搬送を停止させる。又は、温
熱利用機器１６（又は冷熱利用機器）に電熱ヒータ式加
熱器等の補助加熱手段を利用して補助的な温度制御をす
る。

【００４０】そして、電熱ヒータ式加熱器を備えた冷熱
利用機器８に本発明のスターリング冷却加熱装置１を利
用する場合は、上記のようなスターリング冷凍機３のモ
ータ２５の運転制御による温度制御に加え、上記温度セ
ンサーからの温度信号と設定温度とを制御装置において
比較演算し、その差に基づき加熱器をＰＩＤ制御し、さ
らに精密な温度コントロールを図ることができる。

【００４１】なお。図８において、温度設定パネルをス
ターリング冷却加熱装置に設けたが、温度設定パネルを
冷熱利用機器８及び温熱利用機器１６の夫々に付設し、
夫々に利用機器側から温度設定を行なうような構成とし
てもよい。

【００４２】以上、スターリング冷却加熱装置１は、ケ
ース２を有する実施例について説明したが、ケースを特
に有しない実施例の場合は、冷熱冷媒及び放熱用の入口
栓、出口栓等はスターリング冷凍機等のスターリング冷
却加熱装置の構成部分に、適宜支持部材を設けて取付け
てユニット化すればよい。

【００４３】次に、本発明の上記実施例のスターリング
冷却加熱装置１の作用を説明する。モータ２５によって
クランクシャフト３２が正方向に回転し、クランク室２
４内のクランク３５ａ、３５ｂが９０度位相がずれて回
転する。このクランク部３５ａ、３５ｂに回動自在に連
結されたコンロッド３６、３７を介して、このコンロッ
ド３６、３７の先端に取り付けられたクロスガイドヘッ
ド３８、３９が、クロスガイドライナ４０、４１内を往
復摺動する。クロスガイドヘッド３８、３９の夫々に圧
縮ピストンロッド４８及び膨張ピストンロッド５４を介
して連結された圧縮ピストン４６及び膨張ピストン５２
が、互いに９０度の位相差をもって往復動する。

【００４４】膨張ピストン５２が９０度先行して上死点
付近でゆっくりと移動中、圧縮ピストン４６は中間付近
を上死点に向かって急速に移動して作動ガスの圧縮動作
を行なう。圧縮された作動ガスは、連通孔５９及びマニ
ホールド５６を通り放熱用熱交換器１２に流入する。放
熱用熱交換器１２内で放熱用冷媒に放熱した作動ガス
は、蓄冷器５７で冷却され、通路５８を通って低温室５
３（膨張空間）内に流入する。

【００４５】圧縮ピストン４６が上死点近辺でゆっくり
と移動している時に膨張ピストン５２は急激に下死点に
向かって移動し低温室５３（膨張空間）に流入した作動
ガスは急激に膨張し冷熱が発生する。これにより膨張空
間を囲む冷却ヘッド４は冷却され低温となる。

【００４６】そして、冷却ヘッド４において、冷熱冷媒
管路５を循環する冷熱冷媒を冷却する。膨張ピストン５
２が下死点から上死点に移動するときには圧縮ピストン
４６は中間位置から下死点に向かっており、作動ガスは
低温室５３（膨張空間）より通路５８を通り蓄冷器５７
に流入し作動ガスの有する冷熱を蓄冷器５７に蓄熱す
る。蓄冷器５７に蓄熱された冷熱は、上記のように高温
室４７から放熱用熱交換器１２を通して送られてくる作
動ガスを再度冷却するために再利用される。

【００４７】スターリング冷却加熱装置１を利用して、
冷熱利用機器８及び温熱利用機器１６の同時使用を行な
う場合について、以下説明する。冷熱利用機器及び温熱
利用機器の同時使用を行なう場合は、三方弁を図１、図
２の状態にする。

【００４８】冷却ヘッド４において冷却された冷熱冷媒
は、冷熱冷媒管路５、出口栓７から、例えば、冷凍庫等
の冷熱利用機器８内の冷熱冷媒配管９に送られ、冷熱利
用機器８内で冷凍あるいは冷却作用を行なう。冷熱利用
機器８内で、冷熱冷媒は冷却作用を行なって、冷熱冷媒
配管９から、入口栓６に送られ、冷熱冷媒管路５を通
り、冷却ヘッド４に戻され、そこで冷却される。このよ
うに、冷熱冷媒がスターリング冷凍機３の冷却ヘッド４
と冷熱利用機器８との間で循環し、スターリング冷凍機
３で冷熱冷媒は冷却され、この冷熱冷媒が冷熱利用機器
８において冷却作用をする。以下、同様のサイクルが繰
り返される。

【００４９】放熱用熱交換器１２において加熱された放
熱冷媒は、放熱冷媒管路１３、出口栓１５から、例え
ば、恒温槽等の温熱利用機器１６内の吸熱冷媒配管１７
に送られ、温熱利用機器１６内で加熱作用を行なう。そ
して放熱冷媒は、放熱冷媒配管１７から、加熱装置の放
熱冷媒の入口栓１０に送られ、放熱冷媒管路１３を通
り、放熱用熱交換器１２に戻され、そこで加熱される。
このように、放熱冷媒はスターリング冷凍機３の放熱用
熱交換器１２と温熱利用機器１６との間で循環し、スタ
ーリング冷凍機３で加熱され、温熱利用機器１６におい
て加熱作用をする。以下、同様のサイクルが繰り返され
る。

【００５０】次に、スターリング冷却加熱装置１を利用
して、冷熱利用機器８のみ使用する場合は、切換弁６
０、６０は図１、図２の状態を保持して冷熱利用機器８
を使用状態にする。一方、切換弁６５、６５を切換えて
放熱冷媒を放熱用熱交換器１２と放熱器６７の間で循環
させて、温熱利用機器１６は不使用状態にする。

【００５１】又、スターリング冷却加熱装置１を利用し
て、温熱利用機器１６のみ使用する場合は、切換弁６
５、６５は図１、図２の状態を保持して温熱利用機器を
使用状態にする。一方、切換弁６０、６０を切換えて冷
熱冷媒を冷却ヘッド４と吸熱器６２の間で循環させて、
冷熱利用機器８は不使用状態にする。

【００５２】スターリング冷却加熱装置の温度設定パネ
ルにより、冷熱利用機器８、温熱利用機器１６の温度設
定を行なう。温度設定パネルにより設定された温度と、
冷熱利用機器８及び温熱利用機器１６の夫々の温度セン
サーで検知した温度検出信号とが、温度制御回路内の比
較回路において比較され、夫々設定された温度を中心と
する許容温度範囲にあるか否かを判断し、その結果に応
じてスターリング冷凍機３のモータ２５をオンオフ制御
又はインバータ制御して、あるいは、モータ２５を逆回
転させて、上記許容温度範囲内の温度を保ちながら運転
を行なうことができる。

【００５３】そして、電熱ヒータ式加熱器を補助的に備
えた冷熱利用機器８及び温熱利用機器１６に本発明のス
ターリング冷却加熱装置１を利用する場合は、上記のよ
うなスターリング冷凍機３のモータ２５の運転制御によ
る温度制御に加え、上記温度センサーからの温度検出信
号と設定温度とを制御装置において比較演算し、その差
に基づき電熱ヒータ式加熱器をＰＩＤ制御し、さらに精
密な温度コントロールを図ることができる。

【００５４】次に、冷熱利用機器８の冷熱交換器、冷却
ヘッド４等に生じる霜の霜取り作用について説明する。
霜取りを行なう時には、冷熱利用機器８及び冷却ヘッド
４に設けた着霜センサーにより着霜を検知して、霜取り
用の制御回路によりスターリング冷凍機３のモータ２５
を逆回転する。これにより、膨張シリンダ４３の膨張空
間内の作動ガスは膨張ピストン５２により圧縮され、熱
を発生し、冷却ヘッド４において冷熱冷媒を加熱し冷熱
利用機器８に循環させ、冷熱利用機器８の熱交換器、冷
却ヘッド４等に生じた霜を除去することができる。な
お、冷熱利用機器８の冷熱交換器等の霜の発生する箇所
にヒータ線を装着し、着霜センサーにより着霜を検知し
て、このヒータ線により霜取りが可能である。

【００５５】なお、上記実施例では２ピストン型のスタ
ーリング冷凍機３を使用したが、ディスプレーサ型等他
の形式のスターリング冷凍機３を使用してもよいことは
いうまでもない。

【００５６】

【発明の効果】本発明によるスターリング冷却加熱装置
によると、次のような効果を奏することができる。 （1）スターリング冷凍機を使用して冷却加熱装置を構
成するようにしたので、フロン以外の冷媒としてエチル
アルコール、窒素、ヘリウム等の低融点の冷媒を作動ガ
スとして使用することにより、従来の冷却装置より使用
温度が広範囲となり広範囲の用途の冷熱利用機器及び加
熱利用装置に適用できるとともに、地球環境問題に適応
したスターリング冷却加熱装置を提供することができ
る。

【００５７】（２）本発明のスターリング冷却加熱装置
は、冷熱冷媒用及び温熱冷媒用の夫々の入口栓及び出口
を備えており、これらの栓に冷熱利用機器及び温熱利用
機器の夫々の冷媒配管を着脱自在に接続して、スターリ
ング冷却加熱装置と、冷熱利用機器及び温熱利用機器の
夫々と冷媒の循環路を簡単に形成できるようにしたの
で、各種の冷熱利用機器及び温熱利用機器に簡単且つ汎
用的に利用できる。

【００５８】（３）スターリング冷凍機の冷却ヘッドの
冷熱を冷熱利用機器に利用でき、放熱用熱交換器の温熱
を温熱利用機器に利用できるので、発生する冷熱及び温
熱を無駄なく使用することができ、高いＣＯＰが得られ
る。

【００５９】（４）スターリング冷凍機の駆動モータを
オンオフ又はインバータ制御することにより、あるいは
逆回転することにより、温度制御を可能とする。又、本
発明の冷却装置のスターリング冷凍機を逆回転し、簡単
な構成で霜取りを可能とする。

【００６０】（５）本発明のスターリング冷却加熱装置
は、スターリング冷凍機を圧縮シリンダと膨張シリンダ
の２ピストン型とすることにより、スターリング冷凍機
内の作動ガスの充填された空間の容積変動を大きくで
き、コンパクトの割には、冷凍能力の大きいスターリン
グ冷凍機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスターリング冷却加熱装置の全体概念
図である。

【図２】本発明のスターリング冷却加熱装置を示す図で
ある。

【図３】スターリング冷却加熱装置の冷却ヘッドの一例
を説明する側部断面を示す図である。

【図４】図３の冷却ヘッドの正面を示す図である

【図５】スターリング冷却加熱装置の放熱用熱交換器の
一例を説明する平面図である。

【図６】図５のＡーＡ断面図である。

【図７】スターリング冷却加熱装置の冷却ヘッド及び放
熱用熱交換機の別の例を説明する側部断面を示す図であ
る。

【図８】本発明の冷却加熱装置の温度制御の手段を示す
図である。

【符号の説明】

１ スターリング冷却加熱装置 ２ ケース ３ スターリング冷凍機 ４ 冷却ヘッド（低温熱交換器） ５ 冷熱冷媒管路 ６、１４ 入口栓 ７、１５ 出口栓 ８ 冷熱利用機器 １２ 放熱用熱交換器（高温熱交換器） １３ 放熱冷媒管路 １６ 温熱利用機器 ４２ 圧縮シリンダ ４３ 膨張シリンダ ４６ 圧縮ピストン ４７ 高温室（圧縮空間） ５２ 膨張ピストン ５３ 低温室（膨張空間） ６０、６５ 三方弁（切換弁） ６２ 熱交換機（吸熱器） ６７ 放熱器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 甲元 伸央 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動ガスを封入し、冷却ヘッド及び放
   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、 上記冷熱冷媒管路の一端に設けられた冷熱冷媒の入口栓
   及び他端に設けられた出口栓と、 上記放熱用熱交換器において放熱される放熱冷媒が流さ
   れる放熱冷媒管路と、 上記放熱冷媒管路の一端に設けられた放熱冷媒の入口栓
   及び他端に設けられた出口栓とを具備し、 上記冷熱冷媒の出口栓及び入口栓に、冷熱利用機器を着
   脱可能に接続することにより、上記冷熱利用機器に冷熱
   を搬送可能とし、 上記放熱冷媒の出口栓及び入口栓に、温熱利用機器を着
   脱自在に接続することにより、上記温熱利用機器に温熱
   を搬送可能とすることを特徴とするスターリング冷却加
   熱装置。
2. 【請求項２】 上記冷熱冷媒管路には切換弁を介して
   外気と熱交換を行なう吸熱器が接続されており、上記切
   換弁を切換ることにより、上記冷却ヘッドを上記冷熱利
   用機器又は上記吸熱器に選択的に接続可能とし、 上記放熱冷媒管路には別の切換弁を介して外気と熱交換
   を行なう放熱器が接続されており、上記別の切換弁を切
   換ることにより、上記放熱用熱交換器を上記温熱利用機
   器又は上記放熱器に選択的に接続可能とし、 上記吸熱器及び放熱器はスターリング冷却加熱装置内に
   付設されたものであることを特徴とする請求項１記載の
   スターリング冷却加熱装置。
3. 【請求項３】 上記スターリング冷凍機は、圧縮ピスト
   ンを有する圧縮シリンダと、膨張ピストン又はディスプ
   レーサを有する膨張シリンダとを備え、上記圧縮ピスト
   ンと上記膨張ピストン又はディスプレーサとが位相差を
   もって往復動することを特徴とする請求項１又は２記載
   のスターリング冷却加熱装置。
4. 【請求項４】 上記スターリング冷凍機の作動ガスは窒
   素、ヘリウム又は水素等であり、冷熱冷媒はエチルアル
   コール、ＨＦＥ、ＰＦＣ、窒素、ヘリウム又は油等であ
   ることを特徴とする請求項１、２又は３記載のスターリ
   ング冷却加熱装置。
5. 【請求項５】 上記スターリング冷凍機の冷却ヘッド
   は、膨張シリンダの頂部に冷熱冷媒を流す流路を設けて
   成る構成又は膨張シリンダの頂部の周囲に冷熱冷媒を流
   すジャケットを配設して成る構成としたことを特徴とす
   る請求項１、２、３又は４記載のスターリング冷却加熱
   装置。
6. 【請求項６】 上記冷熱利用機器及び温熱利用機器の両
   方又はいずれか一方の温度制御を行なう制御回路を設け
   たことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の
   スターリング冷却加熱装置。
7. 【請求項７】 上記スターリング冷凍機のモータを、オ
   ンオフ制御、インバータ制御、又は逆回転するように制
   御して、上記冷熱利用機器及び温熱利用機器の両方又は
   いずれか一方の温度を制御する制御回路を設けたことを
   特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載のスターリ
   ング冷却加熱装置。
8. 【請求項８】 上記スターリング冷凍機のモータを逆回
   転するように制御して霜取りを可能とすることを特徴と
   する請求項１、２、３、４、５、６又は７記載のスター
   リング冷却加熱装置。