JPH11237130A - 冷凍機システムの冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷凍機の発熱部を密閉筺体内に収納した冷凍
機システムを効果的に冷却する。 【解決手段】 密閉筺体３１は、スターリング冷凍機３
２の発熱源である圧縮機３３および放熱フィン３６とヒ
ートパイプ３８の入熱部３９とが挿入されて密閉されて
いる。ヒートパイプ３８は、密閉筺体３１内の空気の熱
を、入熱部３９から取り込んで密閉筺体３１外の放熱部
４０に搬送する。水冷コイル４１は、放熱部４０で放出
された熱を除去する。その結果、スターリング冷凍機３
２に耐錆処理を施す必要はない。また、密閉筺体３１に
は開口部がないので、騒音の漏れや雨滴の侵入等を完全
に防止できる。また、密閉筺体３１をアルミや銅やステ
ンレス等で形成することによって、スターリング冷凍機
３２の圧縮機モータの永久磁石からの磁気の漏れをシー
ルドできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、スターリング冷
凍機やパルスチューブ冷凍機等の小型冷凍機を用いた冷
凍機システムを冷却する冷凍機システムの冷却装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、雰囲気温度を極低温度に冷却する
小型冷凍機としてスターリング冷凍機やパルスチューブ
冷凍機等がある。このような小型冷凍機は、冷媒ガスを
圧縮する圧縮部とこの圧縮部からの高圧冷媒ガスを膨張
させる膨張部とを組み合わせた構造を有している。

【０００３】以下、上記スターリング冷凍機について簡
単に説明する。図３は、上記スターリング冷凍機の概略
断面図である。圧縮機１は、膨張機１１の作動室１７に
連結される冷媒ガスの吐出孔２０の軸を含む面を境界と
して、略対称な構造を有している。

【０００４】上記圧縮機１は、密閉円筒状のケーシング
２の中に、このケーシング２の内周面に沿った外周面を
有する円筒３aと軸孔４を有する円筒３bとを軸方向中央
部で連結した二重円筒状のシリンダ３を収納している。
そして、シリンダ３の軸孔４の一端側には、一端に円板
７が取り付けられたピストン５が挿通されている。同様
に、軸孔４の他端側には、一端に円板７'が取り付けら
れたピストン５'が挿通されている。そして、両ピスト
ン５,５'のヘッド間で圧縮室６を形成している。

【０００５】上記円板７,７'夫々の外周縁からシリンダ
３の両円筒３a,３b間に延びる円筒８,８'の外周面には
コイル９,９'が形成されている。このコイル９,９'は、
シリンダ３の円筒３bにおける外周面の両端部に設けら
れた磁石１０,１０'と共に、リニアモータを構成してい
る。そして、このリニアモータによって駆動されて、両
ピストン５,５'はバネ３１,３１'によって補助されて同
期して往復動する。

【０００６】膨張機１１は、外周に放熱フィン１３を有
するシリンダ１２内にメッシュ状の蓄冷材を内蔵したデ
ィスプレーサ１４を封入し、環状のシール材１５でディ
スプレーサ１４とシリンダ１２とをシールしている。こ
うして、シリンダ１２内はディスプレーサ１４およびシ
ール材１５によって先端側の膨張室１６と基端側の作動
室１７とに仕切られている。上記作動室１７は、連結管
１９を介して圧縮機１の圧縮室６に連通している。ま
た、ディスプレーサ１４の基端側は、バネ１８によって
シリンダ１２の基端側と連結されて、通常、ディスプレ
ーサ１４は中立位置に在る。

【０００７】上記構成のスターリング冷凍機は次のよう
に動作する。上記圧縮機１のピストン５,５'が軸孔４内
を軸方向中央側に移動して圧縮室６内の冷媒ガスが圧縮
されると、膨張機１１の作動室１７内の圧力が高くな
る。そうすると、上記作動室１７と膨張室１６とに圧力
差が生じ、この圧力差がバネ１８の弾性力を越えるとデ
ィスプレーサ１４がシリンダ１２の先端側に移動する。

【０００８】こうして、上記ディスプレーサ１４がシリ
ンダ１２の先端に行き着くと、作動室１７内の高圧冷媒
ガスはディスプレーサ１４内の蓄冷材によって冷却され
ながら膨張室１６側に流れ、やがて作動室１７と膨張室
１６とは同圧となる。そうすると、上記ディスプレーサ
１４は、バネ１８の収縮力によってシリンダ１２の基端
側に移動して中立位置に戻る。

【０００９】次に、上記圧縮機１のピストン５,５'の夫
々が上記一端側または上記他端側に移動して圧縮室６内
の圧力が低下すると、作動室１７内の圧力が膨張室１６
の圧力よりも低下して両室１６,１７に圧力差が生ず
る。そして、この圧力差がバネ１８の弾性力を越える
と、ディスプレーサ１４がシリンダ１２の基端側に移動
する。その結果、膨張室１６内の冷媒ガスが断熱膨張し
て温度が低下する。こうして冷却された冷媒ガスは、デ
ィスプレーサ１４内の蓄冷材に冷熱を与えながら作動室
１７に流れて、作動室１７と膨張室１６とが同圧とな
る。そして、ディスプレーサ１４は、バネの伸長力によ
ってシリンダ１２の先端側に移動して中立位置に戻る。
こうして、１冷凍サイクルが終了する。

【００１０】上述のように、上記圧縮機１からの膨張機
１１への高圧ガス冷媒の供給・吸気によってシリンダ１
２内をディスプレーサ１４が往復し、膨張室１６内で高
圧冷媒ガスが断熱膨張して膨張室１６の先端部が極低温
に冷却される。その場合、圧縮機１および作動室１７内
においては、冷媒ガスの圧縮・供給が繰り返して行われ
るために、圧縮機１および作動室１７は圧縮熱で高温と
なる。また、圧縮機１は、コイル９,９'に通電する電流
で発生したジュール熱によってさらに高温となる。した
がって、上記スターリング冷凍機やパルスチューブ冷凍
機等の小型冷凍機と駆動電源等を筺体に組み込んだ冷凍
機システムにおいて、上記小型冷凍機自体の冷却が必要
となる。

【００１１】従来、上述のような冷凍機システムの小型
冷凍機を冷却する場合には、上記筺体内に電動ファンや
水冷コイルを設置して、強制空冷や水冷による冷却が一
般的に行われている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の冷凍機システムの冷却装置においては、以下のよう
な問題がある。すなわち、上述のように上記筺体内に電
動ファンや水冷コイルを設置する必要があり、冷凍機シ
ステム全体の寸法が大きくなるために設置場所が限定さ
れるという問題がある。また、上記強制空冷の場合に
は、上記筺体内の暖気を冷凍機システム外に排出する一
方、冷気を取り入れるために、上記筺体に開口部を設け
る必要がある。そのために、内部に設置されている小型
冷凍機や電動ファンからの騒音の漏れ、圧縮機モータに
使用されている永久磁石からの磁気の漏れ、外部からの
雨滴の侵入等を防止できないという問題がある。ここ
で、上述のような小型冷凍機を用いた冷凍機システム
は、通常携帯電話の中継基地やセンサカメラのセンサや
電子部品の冷却に使用される。したがって、電磁気の影
響を極力嫌うのである。また、上記水冷の場合には、上
記小型冷凍機に、冷却水に対する耐錆処理を施す必要が
生ずるという問題がある。

【００１３】そこで、この発明の目的は、冷凍機の発熱
部を密閉筺体内に収納した冷凍機システムを効果的に冷
却できる冷凍機システムの冷却装置を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明の冷凍機システムの冷却装置
は、冷凍機の放熱部および圧縮機と,ヒートパイプの入
熱部とが挿入されると共に,密閉された密閉筺体を備え
て、上記ヒートパイプの放熱部を上記密閉筺体の外に配
置したことを特徴としている。

【００１５】上記構成によれば、上記冷凍機の圧縮機等
の発熱部から発生した熱が、ヒートパイプによって密閉
筺体外に搬出されて放出されて、上記密閉筺体に空気循
環用の開口を設けることなく上記冷凍機が冷却される。
こうして、上記冷凍機からの騒音が密閉筺体から漏れる
こと、雨や雪等の水分および砂等の外塵が外から侵入す
ることが防止される。

【００１６】また、上記密閉筺体内には電動ファンや水
冷コイルを収納する必要がないために冷凍機システムが
小型になり、冷凍機システムの設置場所に寸法制限がな
くなる。また、上記冷凍機の放熱部が上記冷凍機システ
ム外の離れた箇所となるために、上記放熱部の冷却手段
の選択枝が多くなり、より冷却性の高い冷却手段の使用
が可能となる。また、上記密閉筺体をアルミやステンレ
ス等の電磁気のシールド性の高い材料で形成することに
よって、上記冷凍機の圧縮機モータからの磁気がシール
ドされる。

【００１７】また、請求項２に係る発明は、請求項１に
係る発明の冷凍機システムの冷却装置において、上記密
閉筺体内にファンを配置して、上記密閉筺体内の空気を
上記ヒートパイプの入熱部に向けて循環させることを特
徴としている。

【００１８】上記構成によれば、上記密閉筺体内に空気
の循環が発生して上記冷凍機に対する冷却温度むらが無
くなり、上記冷凍機が一様に冷却される。また、上記密
閉筺体内に温度むらが無くなることによって、上記密閉
筺体内での上記ヒートパイプの入熱部の設置箇所の限定
がなくなる。

【００１９】また、請求項３に係る発明は、請求項１に
係る発明の冷凍機システムの冷却装置において、上記ヒ
ートパイプの入熱部は、上記冷凍機に接触していること
を特徴としている。

【００２０】上記構成によれば、上記冷凍機の発熱部か
ら発生した熱を吸熱するヒートパイプの入熱部が上記冷
凍機に接触しているので、上記冷凍機の熱が効率よく上
記密閉筺体外に搬出される。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態により詳細に説明する。この発明の冷凍機システムの
冷却装置においては、熱伝導体としてのヒートパイプを
用いて冷凍機システム内の熱を上記冷凍機システム外に
搬出するものである。

【００２２】上記ヒートパイプとは、一端側に入熱部を
有する一方、他端側に放熱部を有して、上記入熱部と放
熱部との間を水等の作動液を循環させる循環経路を内部
に有するものである。上記入熱部においては、熱源から
の熱によって上記作動液が蒸発し、高温高圧の蒸気とな
って容積が増加する。一方、上記放熱部においては、熱
を放出して凝縮し、低温低圧の作動液となって容積が縮
小する。そして、容積が増加した上記入熱部の蒸気は容
積が縮小する上記放熱部に向かって経路内を流れ、上記
放熱部で凝縮されて発生した上記作動液は上記入熱部に
自然に戻るのである。こうして、上記循環路内を作動液
が蒸発と凝縮とを繰り返しながら循環することによっ
て、上記熱源からの熱を外部に搬出するのである。

【００２３】図１は、第１実施の形態の冷凍機システム
の冷却装置における概略構成図である。図１において、
３１は密閉筺体であり、スターリング冷凍機３２および
ヒートパイプ３８が挿入されて密閉されている。尚、密
閉筺体３１は、アルミや銅やステンレス等で形成されて
電磁気的にシールド可能になっている。スターリング冷
凍機３２は、膨張機３４の外周に設けられたフランジ３
５で密閉筺体３１に取り付けられて、発熱源である圧縮
機３３および膨張機３４の放熱フィン３６が密閉筺体３
１内に挿入されている。また、ヒートパイプ３８は、そ
の入熱部３９側が密閉筺体３１内に挿入されている。

【００２４】上記密閉筺体３１内には、ヒートパイプ３
８を挟んで圧縮機３３と対峙して電動ファン３７が設置
されている。こうして、密閉筺体３１内に空気の循環を
起こさせて、スターリング冷凍機３２に対する冷却温度
むらを無くして一様に冷却するのである。また、密閉筺
体３１内に温度むらが無くなることによって、ヒートパ
イプ３８の入熱部３９の密閉筺体３１内での位置を必ず
しも圧縮機３３の近傍にする必要もなくなる。

【００２５】上記構成において、上記密閉筺体３１内の
空気の熱がヒートパイプ３８の入熱部３９に取り込ま
れ、放熱部４０に搬送される。そして、放熱部４０から
放出された熱は、水冷コイル４１によって除去される。
その場合、ヒートパイプ３８は入熱部３９と放熱部４０
との間が断熱状態であるからその長さは特に制限される
ものではなく、放熱部４０を密閉筺体３１外の密閉筺体
３１から遠く離れた位置に設置させることができる。し
たがって、水冷コイル４１に対する種々の制約が無くな
り、水冷コイル４１の巻回数を多くしたり、冷却水の冷
却手段を付設したりすることによって、冷却性を向上で
きるのである。

【００２６】上述のように、本実施の形態においては、
スターリング冷凍機３２の発熱源である圧縮機３３及び
膨張機３４の放熱フィン３６と、ヒートパイプ３８の入
熱部３９とを、密閉筺体３１内に封入する。そして、密
閉筺体３１内の空気の熱を、ピートパイプ３８で密閉筺
体３１外の放熱部４０に搬送して水冷コイル４１で除去
するようにしている。したがって、本実施の形態におい
ては、密閉筺体３１内を水冷コイルで冷却する場合のよ
うにスターリング冷凍機３２に耐錆処理を施す必要はな
い。また、密閉筺体３１には開口部がないので、内部に
設置されている圧縮機３３や電動ファン３７からの騒音
の漏れや、外部からの雨滴の侵入等を完全に防止でき
る。また、密閉筺体３１は、アルミや銅やステンレス等
で形成されている。したがって、スターリング冷凍機３
２の圧縮機モータに使用されている永久磁石からの磁気
の漏れをシールドすることができる。

【００２７】図２は、第２実施の形態の冷凍機システム
の冷却装置における概略構成図である。本実施の形態に
おいては、第１実施の形態と同様に、アルミや銅やステ
ンレス等で形成されて電磁気的にシールド可能な密閉筺
体５１内に、スターリング冷凍機５２の圧縮機５３及び
放熱フィン５５とヒートパイプ５６の入熱部５７側とが
挿入されて、密閉されている。そして、密閉筺体５１内
には、ヒートパイプ５６を挟んで圧縮機５３と対峙して
電動ファン５９が設置されている。こうして、密閉筺体
５１内に空気の循環を起こさせて、スターリング冷凍機
５２を一様に冷却し、ヒートパイプ５６の入熱部５７の
設置位置に自由度を持たせるのである。

【００２８】上記構成において、上記密閉筺体５１内の
空気の熱がヒートパイプ５６の入熱部５７に取り込ま
れ、密閉筺体５１外の放熱部５８に搬送されて放出され
る。その場合、ヒートパイプ５６の放熱部５８を密閉筺
体５１外の密閉筺体５１から遠く離れた位置に設置させ
ることができる。したがって、放熱部５８に対する冷却
手段に自由度を持たせることができ、電動ファンによる
強制空冷も可能となる。

【００２９】上述のように、本実施の形態においては、
スターリング冷凍機５２の発熱源である圧縮機５３及び
膨張機５４の放熱フィン５５と、ヒートパイプ５６の入
熱部５７とを、密閉筺体５１内に封入する。そして、密
閉筺体５１内の空気の熱を、ピートパイプ５６で密閉筺
体５１外に搬送して放熱部５８で放出するようにしてい
る。したがって、本実施の形態においては、密閉筺体５
１には開口部がないので、内部に設置されている圧縮機
５３や電動ファン５９からの騒音の漏れや、外部からの
雨滴の侵入等を完全に防止できる。また、上記密閉筺体
５１はアルミや銅やステンレス等で形成されている。し
たがって、スターリング冷凍機５２の圧縮機モータに使
用されている永久磁石からの磁気の漏れをシールドする
ことができる。

【００３０】尚、上記各実施の形態においては、上記密
閉筺体３１,５１内に電動ファン３７,５９を設置してス
ターリング冷凍機３２,５２を一様に冷却するようにし
ている。しかしながら、ヒートパイプ３８,５６の入熱
部３９,５７をスターリング冷凍機３２,５２に接触(あ
るいは、スターリング冷凍機３２,５２の近傍に位置)さ
せると共に、放熱部４０,５８の放熱量を高めることに
よって、電動ファン３７,５９を除去しても構わない。
こうすれば、冷凍機システムの寸法を小さくすることが
でき、設置場所の制約を少なくすることができる。

【００３１】また、上記各実施の形態においては、冷凍
機システムの冷却装置をスターリング冷凍機を用いた冷
凍機システムに適用した場合を例に説明しているが、こ
の発明はこれに限定されるものではなく、例えばパルス
チューブ冷凍機等の他の小型冷凍機を用いた冷凍機シス
テムに適用することも可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１にか
かる発明の冷凍機システムの冷却装置は、冷凍機の放熱
部および圧縮機とヒートパイプの入熱部とを密閉筺体に
挿入してこの密閉筺体を密閉し、上記ヒートパイプの放
熱部を上記密閉筺体の外に配置したので、上記冷凍機の
圧縮機等の発熱部から発生した熱を上記ヒートパイプに
よって密閉筺体外に搬出されて放出できる。したがっ
て、上記密閉筺体に空気循環用の開口を設ける必要がな
く、上記冷凍機からの騒音が外部に漏れること、雨や雪
等の水分および砂等の外塵が外から侵入することを防止
できる。

【００３３】さらに、上記密閉筺体内には電動ファンや
水冷コイルを収納する必要がないので冷凍機システムを
小型にでき、冷凍機システムの設置場所に対する寸法制
限をなくすことができる。さらに、上記冷凍機の放熱部
を上記冷凍機システム外の離れた箇所にできるので、上
記放熱部の冷却手段の選択枝が多くなり、より冷却性の
高い冷却手段を使用できる。さらに、上記密閉筺体をア
ルミやステンレス等の電磁気のシールド性の高い材料で
形成することによって、上記冷凍機の圧縮機モータから
の電磁気をシールドできる。すなわち、この発明によれ
は、携帯電話の中継基地やセンサカメラのセンサや電子
部品の冷却装置として最適な冷凍機システムを提供でき
るのである。

【００３４】また、請求項２に係る発明の冷凍機システ
ムの冷却装置は、上記密閉筺体内にファンを配置して、
上記密閉筺体内の空気を上記ヒートパイプの入熱部に向
けて循環させるので、上記密閉筺体内に空気の循環が発
生して上記冷凍機に対する冷却温度むらがなくなる。し
たがって、上記冷凍機を一様に冷却できる。さらに、上
記密閉筺体内に温度むらがなくなるので、上記密閉筺体
内での上記ヒートパイプの入熱部の設置箇所の限定をな
くすことができる。

【００３５】また、請求項３に係る発明の冷凍機システ
ムの冷却装置における上記ヒートパイプの入熱部は、上
記冷凍機に接触しているので、上記冷凍機の熱を効率よ
く上記密閉筺体外に搬出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の冷凍機システムの冷却装置における
概略構成図である。

【図２】図１とは異なる冷凍機システムの冷却装置にお
ける概略構成図である。

【図３】スターリング冷凍機の構造を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

３１,５１…密閉筺体、 ３２,５２…スタ
ーリング冷凍機、３３,５３…圧縮機、
３４,５４…膨張機、３６,５５…放熱フィン、
３７,５９…電動ファン、３８,５６…ヒートパイ
プ、 ３９,５７…入熱部、４０,５８…放熱
部、 ４１…水冷コイル。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷凍機(３２)の放熱部(３６)および圧縮
   機(３３)と、ヒートパイプ(３８)の入熱部(３９)とが挿
   入されると共に、密閉された密閉筺体(３１)を備えて、 上記ヒートパイプ(３８)の放熱部(４０)を上記密閉筺体
   (３１)の外に配置したことを特徴とする冷凍機システム
   の冷却装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の冷凍機システムの冷却
   装置において、 上記密閉筺体(３１)内にファン(３７)を配置して、上記
   密閉筺体(３１)内の空気を上記ヒートパイプ(３８)の入
   熱部(３９)に向けて循環させることを特徴とする冷凍機
   システムの冷却装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の冷凍機システムの冷却
   装置において、 上記ヒートパイプ(３８)の入熱部(３９)は、上記冷凍機
   (３２)に接触していることを特徴とする冷凍機システム
   の冷却装置。