JP2003287297A

JP2003287297A - スターリング冷凍機

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Publication number: JP2003287297A
Application number: JP2002093081A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sekiya; 弘志関谷; Takahiro Nakamura; 隆広中村; Itsuo Nakasaki; 五夫中崎; Takashi Inoue; 貴至井上; Riyousuke Taihichi; 亮祐對比地; Masaru Kanai; 大金井; Takehiro Nishikawa; 剛弘西川; Hiroshi Nishikawa; 弘西川; Shinya Itabashi; 真也板橋; Hideyuki Inoue; 英之井上
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】スターリング冷凍機の構造によくマッ
チした簡単な構造の空冷式の放熱用熱交換器を実現す
る。【解決手段】放熱用熱交換器２９は、その外面に放
熱フィン３６が形成されて成る熱交換筒３７を有し、作
動ガスは放熱用作動ガス流路４０を通り、作動ガスの温
熱は放熱フィン３６から外気に放熱される。さらに、シ
リンダブロック１５の部分４２の外表面に形成された放
熱フィンで４１により圧縮シリンダ１７及び膨張シリン
ダ１８が周囲から空冷される。

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、作動ガスの温熱を放熱する放熱用熱交
換器を空冷式としたスターリング冷凍機に関する。

【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】ところで、スターリング冷凍機等の熱機関
では、その本体を構成し、クランク室やモータ室を有す
るハウジング内に、作動ガスが密閉状態で封入されてい
る。一方、作動ガスは、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冷
却用熱交換器（低温側熱交換器）及び放熱用熱交換器
（高温側熱交換器）により、夫々冷熱冷媒及び放熱用冷
媒との熱交換が行われる。

【０００４】図４は、作動ガスの温熱を放熱する放熱用
熱交換器の従来例を示す図であるが、この従来例の放熱
用熱交換器５４は、内面に細溝５５を有し外面に放熱フ
ィン５６を有する熱交換器筒５７を、放熱用熱交換ハウ
ジング５８と内側シリンダ５９との間に嵌合して設けて
構成される。さらに、圧縮シリンダ６０及び膨張シリン
ダを６１囲むように冷却水路６２が形成されるように構
成されている。

【０００５】この従来例の放熱用熱交換器５４による
と、作動ガスは細溝５５を通り、他方、冷却水が放熱用
熱交換ハウジング５８と放熱フィン５６との間の放熱路
６３を流れる。これにより、作動ガスの温熱が冷却水に
放熱される。冷却水は、放熱路６３及び冷却水路６２を
通り、図示しない冷却水循環路中に設けられたラジエー
タに送られ、その温熱が放熱される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例の放熱用熱
交換器は、水冷式であるから、放熱用交換器５４、冷却
水路６２及びラジエータを通して冷却水を流す必要があ
るから、その構造は複雑となり、さらに冷却水循環ポン
プ等を設ける必要があるので、製作コストがかかり、メ
インテナンスにも手間がかかるという問題があった。

【０００７】そこで、本発明は上記従来の問題を解決す
ることを目的とし、スターリング冷凍機の構造をより簡
単にするために、スターリング冷凍機の構造によくマッ
チした簡単な構造の空冷式の放熱用熱交換器を実現する
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、高温室と低温室との間に放熱用熱交換器、
再生器及び冷却用熱交換器が配設されており、作動ガス
が上記放熱用熱交換器、再生器及び冷却用熱交換器を通
過して高温室と低温室との間を往復動するスターリング
冷凍機であって、上記放熱用熱交換器は、内面に作動ガ
スが流れる細溝が形成され、外面に放熱フィンが形成さ
れて成る熱交換筒を有し、上記作動ガスは、上記細溝を
通過し、作動ガスの温熱が上記放熱フィンから外気に放
熱されることを特徴とするスターリング冷凍機を提供す
る。

【０００９】本発明は上記課題を解決するために、クラ
ンク室の上に圧縮シリンダ及び膨張シリンダを構成する
シリンダブロックを有するとともに、上記圧縮シリンダ
の高温室と上記膨張シリンダ低温室との間に、放熱用熱
交換器、再生器及び冷却用熱交換器が配設されており、
作動ガスが上記放熱用熱交換器、再生器及び冷却用熱交
換器を通過して高温室と低温室との間を往復するスター
リング冷凍機であって、上記放熱用熱交換器は、内面に
作動ガスが流れる細溝が形成され、外面に放熱フィンが
形成されて成る熱交換筒を有し、上記シリンダブロック
の外面に放熱フィンが形成されて成ることを特徴とする
スターリング冷凍機。

【００１０】

【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を示す図
である。

【００１１】スターリング冷凍機１の鋳物で形成された
ハウジング２は、その内部は密閉状態に保持され、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。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、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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】圧縮シリンダ１７内を往復動する圧縮ピス
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からクランク室５の頂部
開口部を通して圧縮シリンダ１７へ伸びるように設けら
れている。クランク室５の頂部開口部５’と圧縮シリン
ダ１７との間に、オイルシール機構２２が取り付けら
れ、圧縮ピストンロッド２１とクランク室５の頂部開口
部（正確には開口部の内周縁）５’との隙間をシール
し、クランク室５からの油上がりを防止している。

【００１５】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内を往復摺動するピストン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。

【００１６】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からクランク室５の頂部開口部５’を通して膨張シリ
ンダ１８内に伸びるように設けられている。クランク室
５と膨張シリンダ１８との間に、オイルシール機構２８
が取り付けられ、膨張ピストンロッド２１とクランク室
５の頂部開口部（正確には開口部の内周縁）５’との隙
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。

【００１７】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の下であって、
内側シリンダ２３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。

【００１８】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。

【００１９】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４３が配
設され、シリンダブロック１５に着脱可能に固着されて
いる。冷却用熱交換ハウジング４３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。

【００２０】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。

【００２１】内筒２４と冷却用熱交換ハウジング４３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。

【００２２】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２２と圧縮ピ
ストン１９との間の空間についても同じ）は、バッファ
空間（バッファ室）４８と呼ばれている。バッファ空間
４８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。

【００２３】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、放熱用熱交換器（高温側熱交換器）
２９を次のような構成の空冷型の熱交換器とした点に特
徴がある。

【００２４】放熱用熱交換器２９は、シリンダブロック
１５の上であり、且つ冷却用熱交換ハウジング４３の下
に位置する用に配設される放熱用熱交換器２９を有す
る。放熱用熱交換器２９は熱交換器筒３７を有し、この
熱交換器筒３７は、その下部がシリンダブロック１５の
上部に形成された孔３４に嵌合するようにシリンダブロ
ック１５上に載置される。そして、冷却用熱交換ハウジ
ング４３の下部フランジ４４と熱交換器筒３７の上部フ
ランジ３８がボルト３９で固定される。

【００２５】熱交換器筒３７は、その内面にはその長手
方向に延びるように複数本の細溝３５が形成されてお
り、外面には放熱フィン３６が形成されている。熱交換
器筒３７は、内側シリンダ２３の外側に同心的に嵌合さ
れており、内側シリンダ２３の外面と細溝３５で放熱用
作動ガス流路４０を形成している。

【００２６】この放熱用作動ガス流路４０は、その上端
開口は再生器３０に連通し、その下端はマニホールド３
２に連通している。このようにして空冷の放熱用熱交換
器２９が構成され、作動ガスは放熱用作動ガス流路４０
を通り、作動ガスの温熱は放熱フィン３６から外気に放
熱される。

【００２７】さらに、シリンダブロック１５の外表面の
うち、圧縮シリンダ１７及び膨張シリンダ１８を囲む部
分４２にも、放熱フィン４１が形成されており、圧縮シ
リンダ１７及び膨張シリンダ１８の空冷を行っている。

【００２８】（作用）次に、本発明の上記実施例のスタ
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１２、１３が９０度位相がずれて回転する。
このクランク部１２、１３に連結されたコンロッド８、
９、クロスガイドヘッド１０、１１、圧縮ピストンロッ
ド２１及び膨張ピストンロッド２７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。

【００２９】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の放熱用作動ガス
流路４０内に流入し、その温熱が放熱フィン３６から外
気に放熱される。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。

【００３０】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。

【００３１】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
放熱用作動ガス流路４０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。

【００３２】そして、冷却用熱交換器において冷却され
た冷熱冷媒は、流出パイプ５２から各種の冷熱利用機器
に送られ冷却に利用される。例えば、冷熱冷媒は、冷凍
庫等の冷熱利用機器内の冷熱冷媒用配管に送られ、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
利用機器から冷却用熱交換器３１に流入パイプ５３を通
って循環して戻され、再度冷却される。

【００３３】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。

【００３４】本発明では、放熱用熱交換器２９は、その
外面に放熱フィン３６が形成されて成る熱交換筒３７を
有し、作動ガスは放熱用作動ガス流路４０を通り、作動
ガスの温熱は放熱フィン３６から外気に放熱される。さ
らに、シリンダブロック１５の部分４２の外表面に形成
された放熱フィンで４１により圧縮シリンダ１７及び膨
張シリンダ１８が周囲から空冷されるので、放熱用の冷
却水やラジエター等が不要である。

【００３５】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。

【００３６】

【発明の効果】本発明は以上のようにスターリング冷凍
機の構造に良くマッチした空冷式の放熱用熱交換器を採
用したので、放熱用熱交換器及びシリンダブロックに冷
却水の流路やポンプを設ける必要がなく、ラジエータも
不要であるから、スターリング冷凍機の構造が簡単とな
り、製作コストが低減でき、メインテナンスも簡単とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスターリング冷凍機の全体構成を
説明するための正面図である。

【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】本発明に係るスターリング冷凍機を説明する右
側一部破断正面図である。

【図４】本発明に係るスターリング冷凍機の熱交換器の
従来例を示す図である。

【符号の説明】

１スターリング冷凍機２ハウジング３区画壁４モータ室５クランク室６モータ７クランクシャフト８、９コンロッド１０、１１クロスガイドヘッド１２、１３クランク部１４座部１５シリンダブロック１６ボルト１７圧縮シリンダ１８膨張シリンダ１９圧縮ピストン２０上方空間（圧縮空間）高温室２１圧縮ピストンロッド２２オイルシールベローズ２３内側シリンダ２４冷却用熱交換器の内筒２５膨張シリンダ１８内を往復摺動するピストン２６上方空間（膨張空間）が低温室２７膨張ピストンロッド２８オイルシールベローズ２９放熱用熱交換器（高温側熱交換器）３０再生器３１冷却用熱交換器（低温側熱交換器）３２マニホールド（作動ガス用の流路）３３連通孔３４シリンダブロックの上部に形成された孔３５熱交換器筒の内面の作動ガス流路用の細溝３６放熱フィン３７熱交換器筒３８熱交換器筒の上部フランジ３９ボルト４０放熱用作動ガス流路４１放熱フィン４２圧縮シリンダ及び膨張シリンダを囲むシリンダ
ブロック部分４３冷却用熱交換ハウジング４４冷却用熱交換ハウジングの下部フランジ４５冷却用熱交換ハウジング４４の内面の複数の細
溝４６作動ガス流路４７冷却フィン４８バッファ空間（バッファ室）４９管５１バッファタンク５２冷熱冷媒の流出パイプ５３冷熱冷媒の流入パイプ５４放熱用熱交換器５５細溝５６放熱フィン５７熱交換器筒５８放熱用熱交換ハウジング５９内側シリンダ６０圧縮シリンダ６１膨張シリンダ６２冷却水路６３放熱路

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者西川剛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)発明者板橋真也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)発明者井上英之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)発明者小笠原弘丞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)発明者加藤哲也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)発明者原子貴志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

【特許請求の範囲】

【請求項１】高温室と低温室との間に放熱用熱交換
器、再生器及び冷却用熱交換器が配設されており、作動
ガスが上記放熱用熱交換器、再生器及び冷却用熱交換器
を通過して高温室と低温室との間を往復動するスターリ
ング冷凍機であって、上記放熱用熱交換器は、内面に作動ガスが流れる細溝が
形成され、外面に放熱フィンが形成されて成る熱交換筒
を有し、上記作動ガスは、上記細溝を通過し、作動ガスの温熱が
上記放熱フィンから外気に放熱されることを特徴とする
スターリング冷凍機。
【請求項２】クランク室の上に圧縮シリンダ及び膨
張シリンダを構成するシリンダブロックを有するととも
に、上記圧縮シリンダの高温室と上記膨張シリンダ低温
室との間に、放熱用熱交換器、再生器及び冷却用熱交換
器が配設されており、作動ガスが上記放熱用熱交換器、
再生器及び冷却用熱交換器を通過して高温室と低温室と
の間を往復するスターリング冷凍機であって、上記放熱用熱交換器は、内面に作動ガスが流れる細溝が
形成され、外面に放熱フィンが形成されて成る熱交換筒
を有し、上記シリンダブロックの外面に放熱フィンが形成されて
成ることを特徴とするスターリング冷凍機。