WO2002016835A1 - Systeme de refrigeration sterling et dispositif de refroidissement - Google Patents

Description

明細書 スターリ ング冷凍システム及び冷却装置 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及びそれを用いる冷蔵庫 などの冷却装置に関するものである。 背景技術

一般に、 家庭用冷蔵庫など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。

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、 作動媒体にヘリ ゥムなど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。 逆スターリ ングサイクルは、 リ二ァモ一タなどの外部動力でビス トンを運動さ せることにより、 同一のシリンダ内でビス 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媒体を圧縮 ·膨張させ、 それを操り返すこと により放熱 · 吸熱を行う密閉サイクルである。

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。 例えば、 特開平 7 - 1 8 0 9 2 1号公報に開示されているスタ一リング冷蔵庫 は、 図 2 0に示すように、 冷蔵庫本体 1 0 0の庫内の上部奥方に庫内を冷却する 冷却器 1 0 1を配し、 本体下部の機械室内にスターリング冷凍機 1 0 2を配設し ている。 そのスターリ ング冷凍機 1 0 2のコール ドセクショ ン 1 0 3 と、 冷却器 1 0 1 を配管 1 0 4にて接続し、 該配管 1 0 4内に充填させた作動媒体を循環さ せ、 この作動媒体を介してスターリング冷凍機 1 0 2の駆動によりコールドセク シヨン 1 0 3から発生させた冷熱を庫内の冷却器 1 0 1に伝達させている。 そして、 冷却器 1 0 1に搬送された冷熱と庫内の空気とを冷却器 1 0 1の表面 において熱交換させて得られる冷気をファン 1 0 5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 1 0 2のウォームセクショ ン 1 0 6には、 放熱用フィン 1 0 7を配設して送風ファン 1 0 8にて通風し、 ゥ ォ一ムセクショ ン 1 0 6から放熱を促進する。

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、 数百ヮッ 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 1 0 7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 1 0 8の冷却風量も増大させなけばなら ない。

従って、 冷凍システム全体が大型化し、 これまでの蒸気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、 ファンの消費電力の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。 発明の開示

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。

この目的を達成するため、 本発明によるスタ一リ ング冷凍システムは、 作動媒 体が封入されたシリ ンダ内を所定の位相差で往復動するビス トン及びディスプレ —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媒体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ビス トンの往復動に伴 う前記作動媒体の圧縮により生じた熱を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、 前記放熱部に取付けられた冷媒流路を有する環状体と、 前記ス ターリ ング冷凍機の周囲に隙間を隔てて設けられ冷媒流路を有するように形成さ れた円筒状の放熱用熱交換器と、 前記環状体の冷媒流路と前記放熱用熱交換器の 冷媒流路とを配管にて接続してなる冷媒の循環経路と、 該循瑷経路内で冷媒を循 環させる循環手段とを備えたことを特徴とする。

前記熱交換器は、 具体的には、 一端に前記配管の一端が接続される接続口を有 する第 1ヘッダー管と、 この第 1ヘッダー管に隣接して第 1へッダ一管と共に前 記スターリング冷凍機の軸に平行に配されその一端に前記配管の他端が接続され る接続口を有する第 2ヘッダ一管と、 これら第 1 , 第 2ヘッダ一管を連通接続す る複数の環状の凝縮管と、 これらの複数の凝縮管の間に挟着されるフィンとから なるものと している。 これによると、 圧縮空間の圧縮熱を回収した冷媒は、 配管 を通って第 2へッダ一管に流入した後、 環状の凝縮管内を通過して第 1へッダー 管に流入する。 その際、 圧縮熱がフィンに伝達され、 フィンの表面から効率よく 放熱される。 この場合、 前記スターリ ング冷凍機の放射方向に関して、 前記凝縮 管と前記フィンの長さを略等しくすることで、 放熱に寄与するフィンの表面積を 広く とることができる。

また、 前記搬送手段は、 具体的に、 前記循環手段は、 前記スターリング冷凍機 の前記吸熱部と反対側の端部に形成された筒状の口ッ ド摺動部と、 このロッ ド摺 動部の内面に沿って前記ビス トンとともにに往復動可能な口ッ ドと、 このロッ ド の先端に装着された第 1マグネッ 卜と、 前記ロッ ド摺動部の先端に取付けられ前 記循環経路の一部をなす箱体と、 この箱体の内部に配され前記口ッ ド摺動部が揷 通された共振用パネと、 この共振用パネによって前記ロッ ド搢動部の外面に沿つ て往復動可能な第 2マグネッ トと、 この第 2マグネッ トに固定され前記口 ッ ド摺 動部の外面及び前記箱体の内面に沿って往復動可能な可動部材とを有しており、 前記箱体内に流入した冷媒を前記可動部材の往復動によるポンプ作用を利用して 送り出すものである。

この構成によると、 ビス トンの往復動と共に口ッ ドの先端の第 1マグネッ トも 往復動し、 互いに引き合う磁力によって第 2のマグネッ トがロッ ド摺動部の外面 に沿って往復動することで、 ド一ナツ状部材が箱体内に流入する冷媒を押し出す 役目を果たす。 従って、 搬送手段と して、 循環ポンプなどの外部動力を用いなく てよくなり、 その分、 省エネが図られる。

そして、 前記放熱用熱交換器の内側空間に送風する送風ファンを設けると、 送 風ファンによる送風と相俟って放熱用熱交換器のフィンの表面からの放熱が促進 される。

この場合、 前記フィンの放射方向の長さを前記凝縮管の外周よりも外側へ伸ば すことで、 放熱に寄与するフィンの表面積を風下側に広くでき、 送風によるフィ ンからの放熱を更に促進できる。

前記放熱用熱交換器のもう一つの具体例と して、 両端に前記配管に接続される 接続口を有するとともに、 内部空間が長手方向に仕切られた第 1ヘッダー管と、. この第 1へッダ一管に隣接して第 1へッダ一管と共に前記スターリング冷凍機の 軸に平行に配設された第 2ヘッダー管と、 これら第 1 , 第 2ヘッダ一管を連通接 続する複数の瑗状の.凝縮管と、 これらの凝縮管の間に挟着されるフィンとからな るものとすることができる。 '

これによると、 圧縮空間の圧縮熱を回収した冷媒は、 配管を通って第 1ヘッダ 一管に流入した後、 仕切板の上流側にある環状の凝縮管内を通過して第 2ヘッダ 一管に流入する。 更に、 第 2ヘッダー管に満たされた冷媒は、 仕切板より も下流 側にある環状の凝縮管内を通過し、 再度第 1ヘッダー管に流入する。 その際、 圧 縮熱がフィンに伝達され、 フィ ンの表面から効率よく放熱される。

また、 上記目的を達成するため本発明のスターリ ング冷凍システムは、 作動媒 体が封入されたシリンダ内を所定の位相差で往復動するビス 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媒体の膨張によ 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ビス トンの往復動に伴 う前記作動媒体の圧縮により生じた熱を冷媒に放熱する瑗状の冷媒流路と して形 成された放熱部とを有するスターリング冷凍機と、 前記スターリング冷凍機の周 囲に隙間を隔てて設けられ冷媒流路を有するように形成された放熱用熱交換器 と、 前記放熱部の冷媒流路と前記放熱用熱交換器の冷媒流路とを配管にて接続し てなる冷媒の循環経路と、 該循瑷経路内で冷媒を循環させる循環手段とを備え ことを特徴とする。

そして、 上記のスターリング冷凍システムを冷却装置の本体下部の機械室の内 部に配設することにより、 前記スターリ ング冷凍機の駆動により前記吸熱部で生 じた冷熱を用いて断熱材で囲まれた本体內部が冷却される。 図面の簡単な説明

図 1は、 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は、 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 構成を一部分を切欠いて示す側面図である。

図 3は、 そのスターリ ング冷凍システムのジャケッ 卜の構造を拡大して示す断 面図である。

図 4 Aは、 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 図である。

図 4 Bは、 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側面 図である。

図 5は、 その放熱用熱交換器の凝縮管の断面図である。

図 6は、 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 Ίは、 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 構成を一部分を切欠いて示す外観図である。

図 8は、そのスターリ ング冷凍システムの一部分を拡大して示す断面図である。 図 9は、 本発明の第 3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 構成を一部分を切欠いて示す示す側面図である。

図 1 0は、 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 器の熱交換能力の関係を示すグラフである。

図 1 1は、 本発明の第 4の実施形態に係るスターリ 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 1 2は、 本発明の第 5の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側面図である。

図 1 3は、 その放熱用熱交換器の一部分を拡大して示す断面図である。 図 1 '4は、 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 器の熱交換能力の関係をフィンの幅を変えて示すグラフである。

図 1 5は、 本発明の第 6の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。 .

図 1 6は、 本発明の第 7の実施形態に係るスターリ ング冷凍システムの一部分 を拡大して示す断面図である。

図 1 7は、本発明の第 8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 1 8は、 その冷蔵庫の機械室ュニッ トの斜視図である。

図 1 9は、 その冷蔵庫の冷却器の斜視図である。

図 2 0は、 従来のスタ一リング冷蔵庫の一例の概略的な側面断面図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の具体的な実施形態を図面を参照しながら説明する。

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、. 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。

ビス トン 2はリ ニアモータ 6により駆動され、 共振用パネ 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 9 a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が共振用パネ 5 1により ビス ドン 2 と所定の位相差 （例えば 9 0 ° ) を維持しながら正弦運動する。

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） 1 0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の動きより膨張 してスタ一リ ング冷凍機本体 9の先端に配されたコールドセクシヨン （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。

次に、 本実施形態に係るスターリング冷凍システム 3 2の概略的な構成を図 2 の側面図に示す。 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、 スタ一リン グ冷凍機本体 9の右端近傍からウォームセクション 1 0の右端近傍にかけての円 筒部分の周囲には、 円筒状に形成された放熱用熱交換器 1 1がスターリング冷凍 機 9の周囲と間隔を隔てて配設されている。 なお、 この図においては、 放熱用熱 交換器 1 1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 上半分の一部を切断して示している。

ウォームセクション 1 0には、 リング状のジャケッ ト 1 2が嵌着されている。 該ジャケッ ト 1 2は、 リ ング状にて内部にドーナツ状空間 4 1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 1 2 a と該リング 1 2 aの開放側を密 閉する平板 1 2 b とから構成される。 ジャケッ ト 1 2の中心を通って互いに対向 する 2力所には、 配管 1 4を接続する一対の第 1 , 第 2接続口 1 3 a , 1 3 b力 S 設けられている。

放熱用熱交換器 1 1は、 図 4 Aの上面図及び図 4 Bの側面図に示すように、 互 いの接続口 1 9 1 a , . 1 9 2 aが逆向きになるようにスターリング冷凍機本体 9 の軸に平行に併設された隣接する一対の第 1ヘッダー管 1 9 1及び第 2ヘッダー 管 1 9 2と、 これら第 1 , 第 2ヘッダ一管 1 9 1 , 1 9 2を所定の間隔で連通接 続する複数の環状の凝縮管 1 7 と、 これらの凝縮管 1 7の間に挟着されるコルゲ ―ト状のフィ ン 1 8 とから構成される。

ここで、 放熱熱交換器 1 1の作製手順について説明する。 まず、 第 1 , 第 2へ ッダ一管 1 9 1 , 1 9 2を間隔を隔てて平面上に平行に配置する。 そして、 第 1 , 第 2ヘッダー管 1 9 1 , 1 9 2の互いに対向する位置に複数の凝縮管 1 7を差し 込んだ後、 治具に固定して一定形状を保つ。 更に、 隣接する凝縮管 1 7の間にフ イン 1 8を挟着していく ことにより、 平面状の放熱用熱交換器 1 1の原形を作製 する。 そして、 この放熱用熱交換器 1 1を約 6 2 0°C程度に設定された溶鉱炉内 で加熱し、 各部品の嵌合部や密着部を溶着させる。 そして、 放熱用熱交換器 1 1 を溶鉱炉より取出して冷却した後、 凝縮管 1 7を円筒型の治具の側面に沿って曲 げていき、 第 1 , 第 2ヘッダ一管 1 9 1 , 1 9 2が隣接するようにリング形状に 加工する。 更に、 第 1 , 第 2へッダ一管 1 9 1， 1 9 2の一端に接続口 1 9 1 a , 1 9 2 aをそれぞれ設ける。 最後に、 第 1 , 第 2ヘッダー管 1 9 1., 1 9 2間に 榭脂などの熱伝導性の低い材科からなるスぺ一サ 2 0を介在させて両者を固定す ることにより、 円筒状の放熱用熱交換器 1 1が完成する。

なお、 スぺーサ 2 0の果たす役割の一つは、 治具に沿わせて曲げた凝縮管 1 7 が元の形に戻ろう とする力を抑えてリ ング形状を維持させることである。 もう一 つのスぺ一サ 2 0の役割は、 第 2ヘッダー管 1 9 2から流入した冷媒が、 凝縮管 1 7を通って第 1ヘッダー管 1 9 1から流出していく ときに、 第 1 , 第 2ヘッダ —管 1 9 1 , 1 9 2間で熱交換が起こらないように両者を熱伝導性の低い材料で 離間させることである。 更には、 冷蔵庫の機械室など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。 第 1 , 第 2ヘッダー管 1 9 1 , 1 9 2自体は、 フ イン 1 8 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 ドスぺ一ス となる力 、これらが下方に位置するように放熱用熱交換器 1 1を配設することで、 有効に熱交換が行われるフイ ン 1 8を広い空間に向かわせることができる。 その ため、 熱交換効率の向上が図られる。

図 5は、 凝縮管 1 7の断面構造を示しており、 図 4 Aの X — X線断面に相当す る図である。 図 5に示すように、 凝縮管 1 7は偏平多孔管であり、 その内部は補 強リブにより三角 トラス状に形成されている。 このような凝縮管 1 7は、 アルミ 二ゥムの押し出し成形により容易に作製できる。 なお、 図 5中の Wは、 スターリ ング冷凍機本体 9の放射方向に関する凝縮管 1 7の長さを示し、 Tはその厚みを 示している。

瞵接する凝縮管 1 7の間に狭着されたフィン 1 8は、 図 6に示すように、 薄い アルミ二ゥ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 されており、 リング状をなして互いに平行に配設されている。 なお、 スターリン グ冷凍機本体 9の放射方向に関.して、 凝縮管 1 7 とフィン 1 8の長さは、 略等し い寸法に選ばれている。

そして、 図 2のように、 第 1へッダ一管 1 9 1の接続口 1 9 l a とジャケッ ト 1 2の第 1接続口 1 3 a との間、 ジャケッ ト 1 2の第 2接続口 1 3 b と循環ボン プ 1 5 との間、 及び循環ポンプ 1 5 と第 2ヘッダー管 1 9 2の接続口 1 9 2 aと の間に配管 1 4を接続して閉回路を構成している。 この閉回路内には、 冷媒 1 6 と してのエチルアルコールなどの流体が封入されており、 循環ポンプ 1 5の駆動 により、 冷媒 1 6が矢印の方向に循環するようになっている。

図 2において、 循環ポンプ 1 5を駆動すると、 スターリング冷凍機本体 9のゥ オームセクショ ン 1 0に発生する圧縮熱は、 ジャケッ ト 1 2を介して冷媒 1 6に 伝達され、 配管 1 4を通って放熱用熱交換器 1 1に搬送される。 この熱は、 冷媒 1 6が凝縮管 1 7を通過するときに、 フィン 1 8の表面から外部に放熱される。 なお、 本実施形態におけるジャケッ ト 1 2の構成は、 コの字形状のリング 1 2 a と平板 1 2 bを組.み合わせたものと して説明したが、 扁平形状に形成した管を ウォームセクション 1 0の周囲に卷き付けてもよい。

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一部分を切欠いて示す外観 図であり、 図 8はそのスターリング冷凍システムの一部分を拡大して示す断面図 である。 これらの図において、 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。

本実施形態に特徴的な構成を図 7及び図 8を参照して説明する。 スターリング 冷凍機本体 9の右端部、 即ちコールドセクション 4の反対側の端部には円筒状の ロッ ド摺動部 9 bが配されている。 このロッ ド摺動部 9 bの内部空間には、 内面 に沿って軸方向に摺動可能な口ッ ド 2 2が揷入されている。 この口ッド 2 2の一 端はビス トン 2の軸方向の中心に固定されており、 他端には第 1マグネッ ト 2 3 aが装着されている。

口 ッ ド摺動部 9 bの先端部には、 円筒形状をした箱体.2 4が取り付けられてい る。 この箱体 2 4の内部には、 口 ッ ド摺動部 9 bが挿通された共振用パネ 5 2と、 口ッ ド摺動部 9 bの外面に沿って摺動可能な第 2マグネッ ト 2 3 b と、 第 2マグ ネッ ト 2 3 bに固定され口 ッ ド摺動部 9 bの外面及び箱体 2 4の内面に沿って摺 動可能なド一ナツ状部材 2 1 とが配設されている。 第 2マグネッ ト 2 3 bは、 共 振用バネ 5 2によって箱体 2 4の内面に固定されている。 箱体 2 4の側面の上部 及び右端面には、 第 1 , 第 2接続口 2 4 a , 2 4 bが開口形成されている。 そして、 第 1へッダ一管 1 9 1 の接続口 1 9 1 a とジャケッ ト 1 2の第 1接続 口 1 3 a との間、 ジャケッ ト 1 2の第 2接続口 1 3 b と箱体 2 4の第 1接続口 2 4 a との間、 及び箱体 2 4の第 2接続口 2 4 bと第 2へッダ一管 1 9 2の接続口 1 9 2 a との間に配管 1 4を接続して閉回路を構成している。

図 8において、 リニアモータ 6の駆動によってピス トン 2が往復動すると、 口 ッ ド 2 2が第 1マグネッ ト 2 3 a と共にピス トン 2 と同一の周期にて往復動す る。 それに伴い、 第 2マグネッ ト 2 3 bが第 1マグネッ ト 2 3 a と共振するよう に往復動を開始する。 つまり、 第 1マグネッ ト 2 3 aが右方向に動く と、 互いに 引き合う磁力により第 2マグネッ 卜 2 3 bも右方向に移動する。 同様に、 第 1マ グネッ ト 2 3 aが左方向に移動すると、 第 2マグネッ ト 2 3 bも左方向に移動す る。 第 2マグネッ ト 2 3 bの共振の振幅は、 共振用パネ 5 2によって第 1マグネ ッ ト 2 3 a と同程度に調節される。 第 2マグネッ ト 2 3 b と共にドーナツ状部材 2 1が左右に往復動し、 図 8の矢印で示すように、 ポンプ機構によって箱体 2 4 内に流入した冷媒 1 6が押し出され、 配管 1 4で接続された閉回路内を循環する ことになる。

リニアモータ 6は、 一般に商用周波数 （ 5 0 H z又は 6 0 H z ) にて駆動され てる。 従って、 ピス トン 2はその商用周波数で往復動するため、 箱体 2 4内のド —ナツ状部材 2 1 も同じ周波数で振幅することによ り、 充分な冷媒 1 6の搬送能 力が得られる。 なお、 スターリング冷凍機がクランク式の場合、 ピス トン及びデ イスプレーサを駆動するモータの回転運動を利用し、 箱体内に設けたィンペラ一 を回転させることにより、 同様のポンプ機構を持たすことができる。

本発明の第 3の実施形態について図面を参照して説明する。 図 9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一部分を切欠いて示す示す側 面図である。 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。

本実施形態に特徴的な構成を図 9を参照して説明する。 放熱用熱交換器 1 1の 右側、 即ちコールドセクショ ン 4の反対側にはスターリング冷凍機本体 9の軸線 を中心に回転可能な送風ファン 2 5が配されている。 一方、 放熱用熱交換器 1 1 の左側には、 ジャケッ ト 1 2に隣接してウォームセクション 1 2の周囲に環状の 遮蔽板 2 6が取り付けられている。 遮蔽板 2 6は、 少なく とも放熱用熱交換器 1 .1 より も大きな径を有しており、 送風ファン 2 5の回転により、 放熱用熱交換器 1 1内に送風される空気 2 7がウォームセクショ ン 1 0側に漏れないように遮断 している。

送風ファン 2 5の回転により送風される空気 2 7は、 放熱用熱交換器 1 1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 2 6にせき止められた後、 フィ ン 1 8を抜けて放熱用熱交換器 1 1の外部に放出される。 これにより、 放熱 用熱交換器 1 1による放熱が促進される。 この場合、 放熱用熱交換器 1 1の熱交 換能力は、 図 1 0に示すように、 送風ファン 2 5の風量を増減させることで制御 できる。

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により低温を得る装置である。 このことは、 リニアモ —タ 6に印加する交流電圧の実効値を変化させることで、 ピズ トン 2の往復動の 振幅を変化させることができることを意味している。 実際、 リニアモータ 6に印 加する交流電圧の実効値を時間と共に上昇させると、 それに応じてビス トン 2の 振幅が増加し、 圧縮空間 8内で圧縮される作動ガスの圧力は次第に上昇する。 従 つて、 膨張空間 7内でディスプレーサ 1によって作動ガスが膨張する際に、 吸熱 される熱量も増大するので、 いっそう低温の冷熱がコールドセクション 4におい て得られるようになる。

しかしながら、 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 クシヨ ン 1 0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 クシヨ ン 4の温度が上昇するという問題が生ずる。

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 2 5 を回転させないで、 循環ポンプ 1 5のみを駆動してウォームセクション 1 0の熱 を冷媒 1 6によって放熱用熱交換器 1 1に搬送して自然に放熱させれば足り る 力；、 スターリ ング冷凍機の出力が上がるに従い、 送風ファン 2 5に入力を与えて 放熱用熱交換器 1 1の熱交換能力を増大させる必要がある。

上記のようにスターリング冷凍機の冷凍能力は、 リニアモータ 6に印加する交 流電圧の実効値にほぼ比例するので、 その入力に応じて送風ファン 2 5への入力 を制御すればよい。 つまり、 リユアモータ 6への入力を上げれば、 送風ファン 2 5への入力を上昇させ、 逆にリ アモ一タ 6への入力を下げれば、 送風ファン 2 5への入力を下げるように制御を行う。 特に、 スタ一リング冷凍機の最大能力出 力時においては、 循瑷ポンプ 1 5への入力を上げて冷媒の循瑗量を増大させると ともに、 送風ファン 2 5への入力も上げて風量を増大させることにより、 ウォー ムセクショ ン 1 0において発生する圧縮熱の放熱を最大限に促進する。

本実施形態においては、 送風ファン 2 5の回転により送風される空気 2 7は、 放熱用熱交換器 1 1の内側をスターリ ング冷凍機本体 9に沿って流れ、 フィン 1 8を抜けて外部に放出され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 1 1の外部から吸い込んだ空気をスターリ ング冷凍機本体 9に沿 つて流し、 送風ファン 2 5の後方に排気する方式でも同様の効果が得られる。 本発明の第 4の実施形態について図面を参照して説明する。 図 1 1は、 本実施 形態に係るスタ一リ 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。 本実施形態に特徴的な構成は、 図 1 1に示すように、 ウォームヘッ ド 1 0の周囲 に嵌着されたジャケッ ト 1 2内に、 環状に形成したフィン 2 8を配したことであ る。 このフィ ン 2 8は放熱用熱交換器 1 1 のフィン 1 8と同様に、 薄い銅箔をギ ァにて一定間隔で蛇行させることによりコルゲー ト加工されている。

このフィン 2 8は、 ジャケッ ト 1 2の内側の内面と外側の内面に屈曲部が当接 するように、 ジャケッ ト 1 2の内部の空間の全周囲にわたって溶着されている。 ジャケッ ト 1 2の第 1 , 第 2接続口 1 3 a , 1 3 bは、 フィ ン 2 8を挟んで冷媒 1 6の流通経路の上流側と下流側に対向して設けられている。 これにより、 ジャ ケッ ト 1 2の内部を流通する冷媒 1 6は、 フィン 2 8の表面の広い面積と接触す るようになる。

次に、 冷媒の流れを図 1 1に基づいて説明する。 循環ポンプ 1 5 (図 2参照） の駆動によ り、 配管 1 4を通って第 1接続口 1 3 aから冷媒 1 6がジャケッ ト 1 2内に流入する。 ジャケッ ト 1 2内の冷媒 1 6は、 フィン 2 8の圧損により上流 側 （右側） に満たされた後、 フィ ン 2 8を抜け、 下流側 （左側） 移動する。 そ の後、 第 2接続口 1 3 bから配管 1 4を通って放熱用熱交換器 1 1 '(図 2参照） へと搬送される。 これにより、 ウォームセクショ ン 1 0の熱を有効に冷媒 1 6に 伝えることができ、 熱交換効率が向上する。

ところで、放熱用熱交換器 1 1のフィ ン 1 8 (図 6参照） のピッチを狭めれば、 熱交換に寄与する表面積が増大して放熱用熱交換器 1 1の熱交換能力が上昇する ものと考えられる。

一般的な家庭用冷蔵庫では、 スタ一リング冷凍機などの機械部品は本体下部の 機械室内に収容される。 この機械室は、 放熱のために外部の空気が吸い込まれる ようなつているのが普通である。 そのため、 フィ ン 1 8のピッチを狭めた放熱用 熱交換器 1 1では、 外部の空気に含まれる塵埃がフィ ン 1 8間に詰まりやすくな り、 かえって熱交換効率が低下する恐れがある。 そこで、 フィン 1 8のピッチを あまり縮小せずに熱交換能力を向上を図る手段について説明する。

本発明の第 5の実施形態について図面を参照して説明する。 図 1 2は、 本発明 の第 5の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 す側面図であり、 図 1 3は、 その放熱用熱交換器の一部分を ¾大して示す断面図 である。

本実施形態では、 図 1 2及び図 1 3に示すように、 スターリング冷凍機本体 9 の放射方向に関して、 フィ ン 1 8の長さを、 凝縮管 1 7の周囲より dの距離だけ 外側に伸ばしている。 従って、 スターリング冷凍機本体 9の 射方向に関するフ イン 1 8の長さ （以下、 「フィン 1 8の幅」 という） は、 W + dとなる。

ファン 2 5 (図 9参照） の回転による空気 2 7は、 図 1 3に示すように、 フィ ン 1 8を通って放熱用熱交換器 1 1の内側空間 Aから外側空間 Bへ放出される。 フィ ン 1 8の表面にはわずかな温度分布があり、 空気 2 7の流速の安定しない入 口部 1 8 a よりも、 略均一な空気 2 7が流れる出口部 1 8 bの方が温度は低くな る。 そのため、 熱交換能力に貢献する割合は出口部 1 8 bで高くなる。

フィ ン 1 8の幅と放熱用熱交換器の熱交換能力との関係の一例を図 1 4に示 す。 令はフィ ン 1 8の幅が Wで、 空気 2 7の流れが順方向 （図 1 3の A→Bの方 向） である場合、 ▲はフィン 1 8の幅が W + dで、 空気 2 7の流れが逆方向 （図 1 3の B→Aの方向） である場合、 騙はフィ ン 1 8の幅が W + dで、 空気 2 7の 流れが順方向である場合をそれぞれ示している。 空気 2 7の流れを順方向とした ときは、 フィ ン 1 8の幅を伸ばすことにより、 熱交換能力を約 2 0 %も向上させ ることができた。 また、 空気 2 7の流れを逆方向にしても、 8 %程度ではあるが、 熱交換能力は上昇することが確かめられた。 放熱用熱交換器 1 1 の熱交換能力を向上させる別の方法と しては、 凝縮管 1 7 の本数を増やすことにより、 それらの凝縮管 1 7間に嵌着されるフイン 1 8の数 を増やして熱交換に寄与する表面積をかせぐことも考えられる。

しかしながら、 凝縮管 1 7の本数を增大させた場合、 第 1 , 第 2ヘッダー管 1 9 1 , 1 9 2から分岐する凝縮管 1 7が多いほど内部を流通する冷媒 1 6に圧損 がかかりやすくなり、 流入した冷媒 1 6が各凝縮器 1 7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。

本発明の第 6の実施形態について図面を参照して説明する。 図 1 5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。 なお、 この図 1 5は、 放熱用熱交換器 1 1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、 第 1 , 第 2へッダ一管 1 9 1 , 1 9 2がスターリング冷凍機本体 9の軸に平行,に隣接す る円筒状をしているものとする。

本実施形態に特徴的な構成を図 1 5を参照して説明する。 第 1ヘッダ一管 1 9 1の両端には配管 1 4に接続される接続口 1 9 1 a , 1 9 1 bが設けられている。 第 2ヘッダ一管 1 9 2は、 両端に接続口のない閉じた管である。 第 1 , 第 2へッ ダ一管 1 9 1 , 1 9 2には、 互いに平行な 1 2本のリ ング状の凝縮管 1 7が違通 接続されている。 そして、 第 1ヘッダー管 1 9 1の長手方向の中央、 つまり凝縮 管 1 7の 6本目と 7本目 との間に第 1ヘッダー管 1 9 1の内部を左右に仕切る仕 切板 2 9を設けている。 この仕切板 2 9は第 1へッダ一管 1 9 1 と同じ材料のァ ルミニゥムにて形成された円板である。

この放熱用熱交換器 1 1の作製手順は、 基本的には上記と同様である。 第 1へ ッダ一管 1 9 1の内面の中央部には、 あらかじめ切り込みを入れておく。 そして 仕切板 2 9を切り込みに差し込み、 第 1 , 第 2ヘッダ一管 1 9 1 , 1 9 2を間隔 を隔てて平面上に平行に配置する。 そして、 第 1 , 第 2ヘッダー管 1 9 1 , 1 9 2の互いに対向する位置に複数の凝縮管 1 7を差し込んだ後、 治具に固定して一 定形状を保つ。 更に、 隣接する凝縮管 1 7の間にフィ ン 1 8を挟着していく こと により、 平面状の放熱用熱交換器 1 1の原形を作製する。 そして、 この放熱用熱 交換器 1 1 を約 6 2 0 °C程度に設定された溶鉱炉内で加熱し、 各部品の嵌合部や 密着部を溶着させる。 そして、 放熱用熱交換器 1 1を溶鉱炉より取出して冷却し た後、 凝縮管 1 7を円筒型の治具の側面に沿って曲げていき、 第 1 , 第 2ヘッダ 一管 1 9 1 , 1 9 2が隣接するようにリング形状に加工する。 更に、 第 1ヘッダ —管 1 9 1の両端に接続口 1 9 1 a , 1 9 1 bを設ける。 最後に、 第 1 , 第 2へ ッダ一管 1 9 1 , 1 9 2間に樹脂などの熱伝導性の低い材料からなるスぺーサ 2 0 (図 4 B参照） を介在させて両者を固定することにより、 円筒状の放熱用熱交 換器 1 1が完成する。

次に、 冷媒の流れについて説明する。 循環ポンプ 1 5が駆動されると、 第 1へ ッダ一管 1 9 1の接続口 1 9 1 bから冷媒 1 6が流入し、 仕切板 2 9の手前まで 冷媒 1 6は移動し、 右半分の空間に満たされた後、 右半分の 6本の凝縮管 1 7内 を均等に流れて第 2ヘッダー管 1 9 2内に流入する。 更に、 冷媒 1 6は第 2へッ ダ一管 1 9 2内を左に移動し、 左半分の 6本の凝縮管 1 7内を均等に流れて第 1 ヘッダー管 1 9 1を経由して接続口 1 9 1 aから配管 1 4に排出される。

本実施形態においては、 凝縮管 1 7の本数が 1 2本である場合について説明し たが、 スタ一リ ング冷凍機の出力が大きくなり、 放熱用熱交換器 1 1の凝縮管 1 の本数を更に増やす必要がある場合には、 第 1へッダ一管 1 9 1内を仕切る仕 切板 2 9の枚数を増やして冷媒 1 6の往復回数をかせぎ、 各凝縮管 1 7に均等に 冷媒 1 6が流れるようにする工夫が必要である。

本発明の第 7の実施形態について図面を参照して説明する。 図 1 6は、 本実施 形態に係るスターリ ング冷凍システムの一部分を拡大して示す断面図である。 本 実施形態に特徴的な構成は図 1 6に示すように、 ウォームセクシヨ ン 1 0を内部 にド一ナツ状空間 4 1が形成されるように断面コの字型に作り、 ドーナツ状空間 4 1の内側を密閉するようにリング状の内部熱交換器 4 0を設けたことである。 次に、 冷媒の流れについて説明する。 循環ポンプ 1 5 (図 2参照） 'が駆動され ると、 冷嫘 1 6が第 1接続口 1 3 aから ドーナツ状空間 4 1内に流入し、 内部熱 交換器 4 0の周囲を通過した後、 第 2接続口 1 3 bから排出される。 そのため、 作動ガスの圧縮熱を内部熱交換器 4 0を介して効率よく冷媒 1 6に伝えることが できるようになる。

本発明の第 8の実施形態について図面を参照して説明する。 図 1 7はスタ一リ 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 3 0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。

冷蔵庫本体 3 0の背面下部には、 図 1 8に示すような機械室ュニッ ト 3 1がビ スなどにより着脱可能に設置されている。 その機械室ュニッ ト 3 1の内部には、 上記第 1〜第 7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 1 1などを組み合わせたスターリング冷凍システム 3 2と、 冷蔵庫本体 3 0内 の奥方に形成される冷気流路 （図示せず） に冷気吹出口 3 6で違通接続される冷 気ダク ト 3 3 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 3 4とが 配設されている。

スターリ ング冷凍システム 3 2のコール ドセクショ ン 4は、 冷気ダク ト 3 3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 3 3內に配設された直方体形状の冷却器 3 5の側面に密接している。 従つ て、 コ一ル ドセクショ ン 4で生じた冷熱は冷却器 3 5に伝達されここに蓄積され るようになっている。 - 冷却器 3 5の構造を図 1 9に示すと、 上面及び底面が開放された略直方体の枠 体の内部にハ-カム状に組み立てられたリブが取り付けられいる。 冷却器 3 5の 下流側には送風ファン 3 8が配されており、 その送風ファン 3 8の回転により、 冷却器 3 5内部のハニカム状の空間に冷却器 3 5の下方から上方に空気の流れを 起こし、 該冷却器 3 5が蓄積した冷熱をリブの表面から冷気に受け渡す。

その冷気は冷気ダク ト 3 3の冷気吹出口 3 6より冷気通路を経由して冷蔵庫本 体 3 0の庫内へ搬送される。 庫內を冷却しながら循環した冷気は、 冷気ダク ト 3 3の冷気戻り 口 3 7から冷却器 3 5の上流側に戻る。

なお、 本実施形態では、 スターリング冷凍機により得られた冷熱を冷気と して 直接庫内に送出て冷却する場合について説明したが、 特開平 7— 1 8 0 9 2 1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、 小型の保冷車や冷凍庫などに 上記のスタ一リング冷凍システムを着脱可能に設けてもよい。 産業上の利用可能性

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 が放熱される放熱部に中空の環状体を設け、 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ので、 放熱部に生じた熱を冷媒により搬送し、 放 熱用熱交換器によって外部に効率よく放出できるスターリング冷凍システムを提 供できる。 これにより、 スタ一リング冷凍システムの実現が可能となる。 従って、 スターリング冷凍機の吸熱部から安定して必要な冷熱を得ることができる。 そして、 このようなスターリング冷凍システムは冷却装置の本体下部の機械室 の内部に省スペースに配設できる。 よって、 前記スターリング冷凍機の駆動によ り前記吸熱部で生じた冷熱を用いて断熱材で囲まれた本体内部を効率よく冷却で さる。

Claims

請求の範囲

1 . 作動媒体が封入されたシリンダ内を所定の位相差で往復動するビス 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 プレーザの往復動に伴う前記作動媒体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ビス トンの往 復動に伴う前記作動媒体の圧縮により生じた熱を外部に放熱する放熱部とを有す るスタ一リ ング冷凍機と、前記放熱部に取付けられた冷媒流路を有する澴状体と、 前記スターリング冷凍機の周囲に隙間を隔てて設けられ冷媒流路を有するように 形成された円筒状の放熱用熱交換器と、 前記環状体の冷媒流路と前記放熱用熱交 換器の冷媒流路とを配管にて接続してなる冷媒の循瑗経路と、 該循環経路内で冷 媒を循環させる循環手段とを備えたことを特徴とするスターリング冷凍システ ム。

2 . 請求項 1に記載のスターリ ング冷凍システムであって、 前記放熱用熱交換器 は、 一端に前記配管の一端が接続される接続口を有する第 1ヘッダ一管と、 この 第 1ヘッダー管に隣接して第 1ヘッダー管と共に前記スターリ ング冷凍機の軸に 平行に配されその一端に前記配管の他端が接続される接続口を有する第 2ヘッダ 一管と、 これら第 1 , 第 2ヘッダー管を連通接続する複数の環状の凝縮管と、 こ れらの複数の凝縮管の間に挟着されるフィンとからなる。

3 . 請求項 2に記載のスターリ ング冷凍システムであって、 前記スターリ ング冷 凍機の放射方向に関して、 前記凝縮管と前記フィンの長さを略等しく した。

4 . 請求項 1に記載のスターリング冷凍システムであって、 前記循環手段は、 前 記スターリ ング冷凍機の前記吸熱部と反対側の端部に形成された筒状の口 ッ ド摺 動部と、 このロッ ド摺動部の内面に沿って前記ビス トンとともにに往復動可能な ロッ ドと、 このロ ッ ドの先端に装着された第 1マグネッ トと、 前記口ッ ド摺動部 の先端に取付けられ前記循環経路の一部をなす箱体と、 この箱体の内部に配され 前記口ッ ド摺動部が挿通された共振用パネと、 この共振用バネによって前記口ッ ド摺動部の外面に沿って往復動可能な第 2マグネッ トと、 この第 2マグネッ トに 固定され前記口 ッ ド摺動部の外面及び前記箱体の内面に沿って往復動可能な可動 部材とを有しており、 前記箱体内に流入した冷媒を前記可動部材の往復動による ポンプ作用を利用して送り出すものである。

5 . 請求項 2に記載のスターリ ング冷凍システムであって、 前記放熱用熱交換器 の内側空間に送風する送風ファンを設けた。

6 . 請求項 5に記載のスタ一リング冷凍システムであって、 前記スターリ ング冷 凍機の放射方向に関して、 前記フィンの長さを前記凝縮管の外周よりも外側へ伸 ばした。

7 . 請求項 1 に記載のスターリ ング冷凍システムであって、 前記放熱用熱交換器 は、 両端に前記配管に接続される接続口を有すると ともに、 内部空間が長手方向 に仕切られた第 1ヘッダー管と、 この第 1ヘッダ一管に隣接して第 1ヘッダー管 と共に前記スターリング冷凍機の軸に平行に配設された第 2ヘッダー管と、 これ ら第 1 , 第 2ヘッダー管を連通接続する複数の環状の凝縮管と、 これらの凝縮管 の間に挟着されるフィンとからなる。

8 . 作動媒体が封入されたシリンダ内を所定の位相差で往復動するビス 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媒体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ビス トンの往 復動に伴う前記作動媒体の圧縮により生じた熱を冷媒に放熱する環状の冷媒流路 と して形成された放熱部とを有するスターリ ング冷凍機と、 前記スターリ ング冷 凍機の周囲に隙間を隔てて設けられ冷媒流路を有するように形成された放熱用熱 交換器と、 前記放熱部の冷媒流路と前記放熱用熱交換器の冷媒流路とを配管にて 接続してなる冷媒の循環経路と、 該循環経路内で冷媒を循環させる循澴手段とを 備えたことを特徴とするスターリ ング冷凍システム。

9 . 請求項 1〜 8のいずれかに記載のスターリング冷凍システムを本体下部の機 械室の内部に配設した冷却装置において、 前記スターリング冷凍機の駆動により 前記吸熱部で生じた冷熱を用いて断熱材で囲まれた本体内部を冷却するよ うにし たことを特徴とする冷却装置。