JP2003042580A - スターリング冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スターリング冷凍機のメインテナンス
に際して、断熱材を取り外すことなく、コールドヘッド
を取りはずして分解作業を可能とする。 【解決手段】 冷却用熱交換ハウジング４４には、そ
の上下周囲を取り囲むように断熱材５８が取り付けられ
ており、冷却用熱交換ハウジング４４は、ボルト６２及
びナット６３でシリンダブロック１５に着脱自在に固着
されており、断熱材５８の下端と上記シリンダブロック
１５の間に挿入できる締着具によりボルト６２及びナッ
ト６３を締め付け又は緩めて、断熱材５８を取り付けた
ままの状態で、冷却用熱交換ハウジング４４をシリンダ
ブロック１５に固着し又は取り外し可能とする。

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
機に関し、特にスターリング冷凍機のコールドヘッドの
取付構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境問題におけるフロン代替
の冷凍装置として、又従来の冷却装置より使用温度が広
範囲で、従って、冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式クーラ等
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、コンパクト
で、しかも成績係数が高く、エネルギー効率が良好とな
る冷凍機として、スターリング冷凍機が脚光を浴びてい
る。

【０００３】スターリング冷凍機は、作動ガスが圧縮室
（高温室）と膨張室（低温室）との間を流動し、この流
路に沿って配設された放熱用熱交換器（高温側熱交換
器）及び冷却用熱交換器（低温側熱交換器）において、
夫々放熱用冷媒との熱交換及び冷熱冷媒との熱交換が行
われるものである。このような放熱用熱交換器及び冷却
用熱交換器は、スターリング冷凍機の性能を左右する重
要な部分である。

【０００４】スターリング冷凍機における熱交換器は、
熱交換性能及び信頼性を向上させるために、作動ガスの
流れが部分的に阻害されるようなことなく均一に流れる
流路や、肉厚が均一な精密に形成されたフィン等が要求
され、さらに、低コスト化を実現するために熱交換器自
体の加工性に優れ、しかもスターリング冷凍機の全体構
造を簡単にする構成が要求される。

【０００５】本発明者等は、熱交換器の構成を簡単とす
るために、外周面及び内周面に周方向のフィン及び作動
流体用の長手方向の細溝を一体的にロストワックス鋳造
で形成したことを特徴とする熱交換器を提案している
（特願平１０−３６５３６４号特願平１０−３６５３７
１号、特願２０００−２９３０９２参照。）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、放熱用熱交
換器及び冷却用熱交換器はスターリング冷凍機の重要部
分であり、きめ細かい保守・点検や修理等のメインテナ
ンスが必要である。これらの放熱用熱交換器及び冷却用
熱交換器等のメインテナンスのための分解作業を行うに
は、通常、冷却用熱交換器を含み冷熱冷媒を冷却するコ
ールドヘッドと呼ばれる部分を取り外してから、放熱用
熱交換器をはずし、冷却用熱交換器にアクセスするもの
である

【０００７】ところが、コールドヘッドには断熱材が取
り付けられており、まずこの断熱材を取り外してからコ
ールドヘッドを取りはずすという作業をしなくてはなら
ない。又組み立て作業においても再度コールドヘッドに
断熱材を取り付けるという作業を行わなくてはならな
い。本発明は、このような従来の問題点を解決すること
を目的とするものであり、スターリング冷凍機のメイン
テナンスにおける分解、組み立ての際のコールドヘッド
の着脱作業を省き、容易にメインテンスを行うことので
きる構成を実現するとすることを課題とする。

【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、スターリング冷凍機の本体となるハウジン
グと、該ハウジングの上部に取り付けられたシリンダブ
ロックと、該シリンダブロックの上部に取り付けられ、
冷却用熱交換器を構成する冷却用熱交換ハウジングとを
有するスターリング冷凍機であって、上記冷却用熱交換
ハウジングには、その上下周囲を取り囲むように断熱材
が取り付けられており、上記冷却用熱交換ハウジング
は、ボルトで上記シリンダブロックに着脱自在に固着さ
れており、上記断熱材の下端と上記シリンダブロックの
間に挿入できる締着具により上記ボルトを締め付け又は
ゆるめて、上記断熱材を取り付けたままの状態で、上記
熱交換ハウジングをシリンダブロックに固着し又は取り
外し可能とできるような構成であることを特徴とするス
ターリング冷凍機を提供する。

【０００９】上記シリンダブロックは、圧縮シリンダ
と、膨張シリンダの一部を構成してもよい。

【００１０】上記断熱材は、その外面に一対の半円筒状
の締付板を当接して、該一対の取付板をボルトで締め付
けることで、取り付けられている構成としてもよい。

【００１１】

【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〜図３は、本
発明の適用されるスターリング冷凍機を説明する図であ
り、図１はスターリング冷凍機１の全体構成を説明する
正面図である。図２はスターリング冷凍機１の要部を説
明する図であり、図３は一部が断面の右側面図である。

【００１２】スターリング冷凍機１の本体をなすハウジ
ング２は、鋳物で形成され、その内部は密閉状態に保持
される。このハウジング２内には、区画壁３を介して互
いに連通するモータ室４とクランク室５とを有する。こ
のモータ室４には正逆回転可能なモータ６が配設されて
おり、又クランク室５には、モータ６で回転駆動される
クランクシャフト７、コンロッド８、９と、クロスガイ
ドヘッド１０、１１等の駆動機構が配設されている。

【００１３】クランクシャフト７の二つのクランク部１
２、１３は、モータ６の正転時にクランク部１３がクラ
ンク部１２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、一般的には約９０度
の位相差が採用される。クランク部１２、１３には、コ
ンロッド８、９が取り付けられ、さらにこのコンロッド
８、９にクロスガイドヘッド１０、１１が取り付けられ
ている。

【００１４】ハウジング２におけるクランク室５の上部
には、座部１４を介してシリンダブロック１５がボルト
１６で取付られている。シリンダブロック１５は、圧縮
シリンダ１７を形成するとともに、膨張シリンダ１８の
一部（下部）を形成している。

【００１５】圧縮シリンダ１７内では圧縮ピストン１９
が往復動する。圧縮シリンダ１７内の圧縮ピストン１９
の上方空間（圧縮空間）が高温室２０であり、この中で
作動ガスは圧縮されて高温となる。圧縮ピストンロッド
２１は、圧縮ピストン１９とクロスガイドヘッド１０を
連結し、クランク室５から圧縮シリンダ１７へ伸びるよ
うに設けられている。オイルシールベローズ２２が圧縮
ピストンロッド２１とハウジング２の上部の間に取り付
けられ、圧縮シリンダ１７とクランク室５の間をシール
し、クランク室５からの油上がりを防止している。

【００１６】一方、膨張シリンダ１８は、その下部は上
述の通りシリンダブロック１５で構成し、その上部は、
後述する放熱用熱交換器２９の内側シリンダ２３と冷却
用熱交換器の内筒２４とから構成している。この膨張シ
リンダ１８内を膨張ピストン２５が往復摺動しており、
膨張シリンダ１８における膨張ピストン２５の上方空間
（膨張空間）が低温室２６であり、この中で作動ガスが
膨張し低温となる。

【００１７】膨張ピストンロッド２７は、膨張ピストン
２５とクロスガイドヘッド１１とを連結し、クランク室
５から膨張シリンダ１８内に伸びている。オイルシール
ベローズ２８が、膨張ピストンロッド２７とハウジング
２の上部の間に取り付けられ、膨張シリンダ１８とクラ
ンク室５の間をシールしクランク室５からの油上がりを
防止している。膨張ピストン２５は、圧縮ピストン１９
より９０度の位相だけ先行して移動する。

【００１８】膨張シリンダ１８を囲むように、放熱用熱
交換器（高温側熱交換器）２９、再生器３０及び冷却用
熱交換器（低温側熱交換器）３１が互いに連通して環状
に配設されている。放熱用熱交換器２９の下端、かつ膨
張シリンダ１８の周囲に、マニホールド（作動ガス用の
流路）３２が形成されている。

【００１９】そして、圧縮シリンダ１７の上端部には、
高温室２０とマニホールド３２とを連通する連通孔３３
が形成されている。高温室２０と低温室２６は、連通孔
３３、マニホールド３２、放熱用熱交換器２９、再生器
３０及び冷却用熱交換器３１を通して互いに順次連通す
るように構成されている。

【００２０】シリンダブロック１５は、その上部に放熱
用熱交換ハウジング３４を有する。この放熱用熱交換ハ
ウジング３４と内側シリンダ２３との間には、熱交換器
筒３７が嵌合し、放熱用熱交換器（高温側熱交換器）２
９を構成している。熱交換器筒３７は、その内面には、
作動ガスの流路を形成する細溝３５を有し、外面に放熱
フィン３６を有する。

【００２１】作動ガスは細溝３５を通り、放熱用熱交換
ハウジング３４と放熱フィン３６との間の放熱路３８は
冷却水が流れこれにより、作動ガスの温熱が冷却水に放
熱される。シリンダブロック１５の左右両側面には、蓋
板３９が水密的に固定されており、この蓋板３９とシリ
ンダブロック１５との間に冷却水路４０を形成してい
る。この冷却水路４０は、入口４１と通して放熱路３８
に連通するとともに、圧縮シリンダ１７及び膨張シリン
ダ１８を囲むように形成されている。

【００２２】放熱路３８に冷却水の流入口４２が設けら
れており、冷却水路４０には流出口４３が設けられ、流
入口４０と流出口４３は、図示はしないが、冷却水循環
路及び冷却水循環用ポンプを介して、冷却ファンを有す
る空冷の放熱器（ラジエータ）に接続されている。

【００２３】内筒２４の下部は、内側シリンダ２３と嵌
合し膨張シリンダ１８の一部を構成しているが、この内
筒２４の上部外周側に冷却用熱交換ハウジング４４が配
設され、シリンダブロック１５の放熱用熱交換ハウジン
グ３４の上面に着脱可能に固着されている。冷却用熱交
換ハウジング４４は、その内面には複数の細溝４５を有
し、内筒２４と嵌合して作動ガス流路４６を形成し、そ
の外面には冷却フィン４７を有する。これにより、冷却
用熱交換器（低温側熱交換器）３１を構成している。

【００２４】この冷却用熱交換器３１は、本発明のスタ
ーリング冷凍機の冷熱を利用する冷熱利用機器の冷熱冷
媒の冷却を行う。冷熱冷媒としては、空気、水、アルコ
ール、ＨＦＥ、ＰＦＣ等が使用される。

【００２５】内筒２４と冷却用熱交換ハウジング４４と
の間の環状空間には、金属メッシュ等の蓄冷材から成る
再生器３０が配設されている。

【００２６】オイルシールベローズ２８と膨張ピストン
２５との間の空間（オイルシールベローズ２５と圧縮ピ
ストン１５との間の空間についても同じ）は、バファ空
間（バッファ室）４８と呼ばれている。バッファ空間４
８は、管４９によりバッファタンク５１に接続され、バ
ッファタンク５１は、管５０によりハウジング２のクラ
ンク室５（モータ室４でもよい。）に接続されている。

【００２７】本発明は、以上のような構成のスターリン
グ冷凍機において次のような構成を特徴とする。本発明
に係るスターリング冷凍機では、図４（ａ）に示すよう
に、冷却用熱交換器３１を構成する冷却用熱交換ハウジ
ング４４にカバー５２が装着されている。これによっ
て、冷却用用熱交換器３１を含み、内部に冷却フィン４
７を内蔵した冷却用空間５３を備えたヘッド部であるコ
ールドヘッド５４が構成される。

【００２８】カバー５２には二つの貫通孔５５が形成さ
れており、夫々に冷熱冷媒の流出パイプ５６と流入パイ
プ５７とが挿通されて取り付けられている。流出パイプ
５６と流入パイプ５７は冷熱利用機器に接続され、スタ
ーリング冷凍機１と冷熱利用機器の間の冷熱冷媒の循環
路の一部を構成している。

【００２９】コールドヘッド５４において、冷却用熱交
換ハウジング４４の上下周囲を取り囲むように、具体的
には、カバー５２を上下周囲から包み込むようにウレタ
ン発泡材等の断熱材５８が配設されている。冷熱冷媒の
流出パイプ５６と流入パイプ５７は、この断熱材５８を
貫通して外部に伸びるように配設されている。

【００３０】さらに、断熱材５８の周面を、図４（ｂ）
にその平面図を示すように、一対の半円筒状の締付板５
９を当接して囲み、その両端のフランジ部６０をボルト
６１で締着する。これにより、一対の半円筒状の締付板
５９により断熱材５８をカバー５２にしっかりと取り付
けることができる。

【００３１】ところで、すでに説明したように、冷却用
熱交換器３１を構成する冷却用熱交換ハウジング４４
は、シリンダブロック１５（具体的にはシリンダブロッ
ク１５の一部である放熱用熱交換ハウジング３４の上
面）に着脱可能に固着されている。ここで、シリンダブ
ロック１５を放熱用熱交換ハウジング３４の上面に取り
付けるためには、通常は、六角ボルトで十分可能であ
る。そして、その取付後、上記の通り断熱材５８を一対
の半円筒状の締付板５９及びボルト６１を用いて締着す
ればよい。

【００３２】しかしながら、保守・点検及び修理等のメ
インテナンス作業に際して、冷却用用熱交換ハウジング
４４を取り外す際に、ボルト６１をゆるめ一対の半円筒
状の締付板５９を取り外し、さらに断熱材５８を分解し
てはじめて六角ボルトをゆるめて冷却用用熱交換ハウジ
ング４４を取り外すことができるのであって、きわめて
面倒な作業が必要である。

【００３３】そこで、本発明は、冷却用熱交換ハウジン
グ４４を、ボルト６２及びナット６３を用いてシリンダ
ブロック１５に固着する構成を採用した。これにより、
図４（ａ）に示すように、断熱材５８をコールドヘッド
５３に取り付けた状態のままで、断熱材５８の下端部と
シリンダブロック１５との間のスペース６４にスパナ等
の締着具を挿入し、ボルト６２及びナット６３で締め付
け、又はゆるめて、冷却用熱交換ハウジング４４をシリ
ンダブロック１５に固着、又は取り外しすることができ
るようにした。

【００３４】（作用）次に、以上の構成から成る本発明
の実施例のスターリング冷凍機の作用を説明する。モー
タ６によってクランクシャフト７が正方向に回転し、ク
ランク室５内のクランク部１０、１１が９０度位相がず
れて回転する。このクランク部１０、１１に連結された
コンロッド８、９、クロスガイドヘッド１９、１１、圧
縮ピストンロッド１７及び膨張ピストンロッド２３を介
して、圧縮ピストン１９及び膨張ピストン２５が、互い
に９０度の位相差をもって往復動する。

【００３５】膨張ピストン２５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１９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
を行う。圧縮された作動ガスは、連通孔３３及びマニホ
ールド３２を通り放熱用熱交換器２９の細溝３５内に流
入し、放熱路３８を流れる冷却水に放熱する。さらに作
動ガスは、再生器３０に蓄熱された冷熱で冷却され、細
溝４５内を通って低温室２６（膨張空間）内に流入す
る。

【００３６】圧縮ピストン１９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２５は急激に下死点に
向かって移動し、低温室２６（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。これにより冷却
用熱交換器３１を含むヘッド部（コールドヘッドと言
う。）４８は冷却されて低温となる。

【００３７】そして、冷却用熱交換器３１において、冷
却フィン４７に接する冷熱利用機器用の冷熱冷媒を冷却
する。膨張ピストン２５が下死点から上死点に移動する
ときには圧縮ピストン１９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２６より冷却用熱交換器の
細溝４５を通り再生器３０に流入し作動ガスの有する冷
熱を再生器３０に蓄熱する。再生器３０に蓄熱された冷
熱は、上記のように高温室２０から放熱用熱交換器２９
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。

【００３８】スターリング冷凍機１の冷却用熱交換器３
１で冷却された冷熱冷媒は、流出パイプ５６を通して各
種の冷熱利用機器に供給される。例えば、冷熱冷媒は、
冷凍庫等の冷熱利用機器内の熱交換器に送られ、冷熱利
用機器内で冷凍あるいは冷却作用を行う。そして、冷熱
利用機器で冷熱が利用された後、冷熱冷媒は冷熱利用機
器から流入パイプ５７を通してスターリング冷凍機１の
冷却用熱交換器３１に循環して戻される。

【００３９】放熱器（ラジエータ）から送られてくる冷
却水は、流入口４２から放熱用熱交換器３８内に流入
し、放熱路３８を通過して作動ガスを冷却する。さら
に、この冷却水は冷却水路４０に流入し、圧縮シリンダ
１７及び膨張シリンダ１８の周囲を流れる。これによっ
て、シリンダブロック１５の内側に形成されている圧縮
シリンダ１７及び膨張シリンダ１８を周囲から冷却す
る。この後、冷却水は、流出口４３から流出して、放熱
器において冷却ファンで冷却され、再度、放熱用熱交換
器２９へと循環する。

【００４０】バッファタンク５１は、バッファ空間４８
とハウジング２を均等な圧力とし、バッファ空間４８内
の圧力変動を吸収するとともに、ハウジング２内の圧力
変動を吸収し、バッファ空間にその影響を及ぼさないよ
うな緩衝機能を有する。

【００４１】本発明では、冷却用熱交換ハウジング４４
を、ボルト６１を用いてシリンダブロック１５に固着す
る構成を採用したので、断熱材５８をコールドヘッド５
３に取り付けたままの状態で、ボルト６１を緩めて冷却
用熱交換ハウジング４４を放熱用熱交換ハウジング３４
から取り外すことができ、又取り付けることができる。

【００４２】以上、本発明の実施の形態を実施例に基づ
いて説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるこ
となく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でい
ろいろな実施例があることは言うまでもない。

【００４３】

【発明の効果】本発明は、以上のような構成であるか
ら、分解作業において、断熱材の取り外し、取付という
面倒な作業をすることなくコールドヘッドを取りはずす
ことができ、又取り付けることができるから、保守・点
検や修理等のメインテナンスを簡単、かつ迅速に行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の適用されるスターリング冷凍機を説明
する全体図である。

【図２】図１のスターリング冷凍機の要部を示す図であ
る。

【図３】図１のスターリング冷凍機の正面一部破断図で
ある。

【図４】本発明に係るスターリング冷凍機の断熱材の取
付構造を示す図である。

【符号の説明】

１ スターリング冷凍機 ２ ハウジング ４ モータ室 ５ クランク室 ６ モータ ７ クランクシャフト １５ シリンダブロック １７ 圧縮シリンダ １８ 膨張シリンダ １９ 圧縮ピストン ２０ 高温室 ２２ （圧縮側）オイルシールベローズ ２３ （放熱用熱交換器の）内側シリンダ ２４ （冷却用熱交換器の）内筒 ２５ 膨張ピストン ２６ 低温室 ２８ （膨張側）オイルシールベローズ ２９ 放熱用熱交換器 ３０ 再生器 ３１ 冷却用熱交換器 ３４ （シリンダブロックの）放熱用熱交換ハウジン
グ ３６ 放熱フィン ３７ 熱交換器筒 ４４ 冷却用熱交換ハウジング ４５ （冷却用熱交換ハウジングの）細溝 ４７ 冷却フィン ４８ バッファ室 ５１ バッファタンク ５４ コールドヘッド ５５ 貫通孔 ５６ （冷媒の）流出パイプ ５７ （冷媒の）流入パイプ ５８ 断熱材 ５９ 一対の半円筒状の締付板 ６２ ボルト ６４ 断熱材とシリンダブロックの間のスペース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中崎 五夫 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 (72)発明者 井上 貴至 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 (72)発明者 對比地 亮祐 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 (72)発明者 小松原 健夫 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 (72)発明者 金井 大 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 (72)発明者 福田 栄寿 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 (72)発明者 里 和哉 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 (72)発明者 水野 隆行 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 (72)発明者 坂本 泰生 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 (72)発明者 西川 弘 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 (72)発明者 真下 傳二 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スターリング冷凍機の本体となるハ
   ウジングと、該ハウジングの上部に取り付けられたシリ
   ンダブロックと、該シリンダブロックの上部に取り付け
   られ、冷却用熱交換器を構成する冷却用熱交換ハウジン
   グとを有するスターリング冷凍機であって、 上記冷却用熱交換ハウジングには、その上下周囲を取り
   囲むように断熱材が取り付けられており、 上記冷却用熱交換ハウジングは、ボルトで上記シリンダ
   ブロックに着脱自在に固着されており、 上記断熱材の下端と上記シリンダブロックの間に挿入で
   きる締着具により上記ボルトを締め付け又はゆるめて、
   上記断熱材を取り付けたままの状態で、上記熱交換ハウ
   ジングをシリンダブロックに固着し又は取り外し可能と
   な構成であることを特徴とするスターリング冷凍機。
2. 【請求項２】 上記シリンダブロックは、圧縮シリン
   ダと、膨張シリンダの一部とを構成することを特徴とす
   る請求項１記載のスターリング冷凍機。
3. 【請求項３】 上記断熱材は、その外面に一対の半円
   筒状の締付板を当接して、該一対の取付板をボルトで締
   め付けることで取り付けられてい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凍機。