JP3634650B2 - 熱機関用シリンダブロック - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、あるいは家庭用機器等のあるゆる産業分野の冷凍、冷却に使用できる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、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では、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吸熱用熱交換器（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なわれる。従来、熱交換器としては、例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器やプレートフィン式熱交換器等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スターリング冷凍機における熱交換器は、熱交換性能、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、厚肉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】
シェルアンドチューブ式熱交換器は組立に手間がかかり低コスト化では問題があり、プレートフィン式熱交換器も、同様にコスト面で問題があった。本発明は、上記問題を解決することを目的とするものである。
【０００６】
【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、頂壁及び側壁を有する円筒状の頂部熱交換ハウジングと、該頂部熱交換ハウジング内に配設され、熱機関のピストン又はディスプレーサが摺動する内側シリンダとを有するシリンダブロックであって、上記頂部熱交換ハウジングの先端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の細溝が形成されており、上記頂部熱交換ハウジングの基端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガスの再生器用の流路を形成する環状の凹部が形成されており、上記頂部熱交換ハウジングは、ロストワックス鋳造により形成された構成であることを特徴とする熱機関用のシリンダブロックを提供する。
【０００７】
そして、本発明は、上記課題を解決するために、熱機関のピストン又はディスプレーサが摺動する内側シリンダを有するシリンダブロックであって、上記内側シリンダの外側には、円筒状の環状熱交換ハウジングとその内側に挿入固定された熱交換器本体とから成る熱交換器が配設されており、上記熱交換器本体は、その外周面には、熱交換用のフィンが形成されており、その内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の細溝が形成されており、上記環状熱交換ハウジングと上記熱交換器本体との間の空間が冷媒通路とされ、該冷媒通路が連通するように、環状熱交換ハウジングは冷媒入口及び冷媒出口が形成されており、上記環状熱交換ハウジングは、ロストワックス鋳造又は鋳鉄により形成され、熱交換器本体は、ロストワックス鋳造により形成された構成であることを特徴とする熱機関用のシリンダブロックを提供する。
【０００８】
さらに、本発明は、上記課題を解決するために、頂壁及び側壁を有する円筒状の頂部熱交換ハウジングと、該頂部熱交換ハウジング内に配設され、熱機関のピストン又はディスプレーサが摺動する内側シリンダとを有するシリンダブロックであって、上記頂部熱交換ハウジングの先端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の細溝が形成されており、上記頂部熱交換ハウジングの基端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガスの再生器用の流路を形成する環状の凹部が形成されており、上記内側シリンダの外側には、円筒状の環状熱交換ハウジングとその内側に挿入固定された熱交換器本体とから成る熱交換器が配設されており、上記熱交換器本体は、その外周面には、熱交換用のフィンが形成されており、その内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の細溝が形成されており、上記環状熱交換ハウジングと上記熱交換器本体との間の空間が冷媒通路とされ、該冷媒通路が連通するように、上記環状熱交換ハウジングに冷媒入口及び冷媒出口が形成されており、上記頂部熱交換ハウジング及び上記熱交換器本体は、夫々ロストワックス鋳造により、又環状熱交換ハウジングは、ロストワックス鋳造又は鋳鉄により形成された構成であることを特徴とする熱機関用のシリンダブロックを提供する。
【０００９】
上記頂部熱交換ハウジングは、その先端側外周面に上記頂部熱交換ハウジングと一体に形成されたフィン、又は別体に形成され後付けされたフィンを有する。
【００１０】
上記熱機関が、スターリングサイクル機器、ヴィルミエサイクル機器又はクーク・ヤーボロフサイクル機器等である。
【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５は、本発明に係る熱機関用シリンダブロックの実施例を説明する図であり、図１は、本発明に係る熱機関用シリンダブロックが適用される熱機関の一例であるスターリング冷凍機１を説明する全体図である。スターリング冷凍機１のハウジング２は、鋳物で形成され、その内部は半密閉状態に保持される。このハウジング２内は、区画壁３によってモータ室４とクランク室５とに区画されている。
【００１２】
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の回転動作を往復動に変換するクランクシャフト７と、コンロッド８と、クロスガイドヘッド９が配設され、スターリング冷凍機１の駆動手段として機能している。
【００１３】
クランクシャフト７の二つのクランク部１０、１１は、モータ６の正転時にクランク部１１がクランク部１０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。
【００１４】
クランク室５の上部には、圧縮シリンダ１２と、圧縮シリンダ１２の若干上方に伸びて位置した膨張シリンダ１３とが配設されている。圧縮シリンダ１２と膨張シリンダ１３、並びにハウジング２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１２は、ハウジング２にボルト等によって固定される圧縮シリンダブロック１４を有し、この圧縮シリンダブロック１４の空間内を圧縮ピストン１５が往復する。この空間の上部（圧縮空間）が高温室１６であり、この中の作動ガスは圧縮されて高温となる。
【００１５】
圧縮ピストンロッド１７は、圧縮ピストン１５とクロスガイドヘッド９を連結し、圧縮シリンダ１２とクランク室５の間をオイルシール１９を通って伸びている。往復動する圧縮ピストン１５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、単位時間当たりの圧縮ピストン１５の移動による容積の変化量も最大となる。
【００１６】
一方、膨張シリンダ１３は、ハウジング２にボルト等によって固定される膨張シリンダブロック２０を有し、この膨張シリンダブロック２０の空間内を膨張ピストン２１が往復摺動して、この空間の上部（膨張空間）が低温室２２であり、この中の作動ガスが膨張し低温となる。膨張ピストンロッド２３は、膨張ピストン２１とクロスガイドヘッド１８とを連結し、膨張シリンダ１３とクランク室５との間をオイルシール２５を通って伸びている。膨張ピストン２１は、圧縮ピストン１５より９０度の位相だけ先行して移動する。
【００１７】
膨張シリンダブロック２０には、圧縮シリンダ１２の圧縮空間に作動ガスが流入流出するマニホールド２６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（高温側熱交換器）２７、再生器２８及び冷却用熱交換器（低温側熱交換器）２９が互いに順次連通して環状に配設されている。
【００１８】
圧縮シリンダブロック１４の上端部近くには、高温室１６とマニホールド２６を連通する連通孔３０が形成されており、これにより、高温室１６と低温室２２は、連通孔３０、マニホールド２６、放熱用熱交換器２７、再生器２８及び冷却用熱交換器２９を介して互いに順次連通するように構成されている。
【００１９】
本発明に係る熱機関用シリンダブロックを、その一例として、上記膨張シリンダブロック２０により、図２〜図５により詳細に説明する。図２において、膨張シリンダブロック２０は、内側シリンダ３１と、内側シリンダ３１の下部外側に同心的に配設された、放熱用熱交換器２７及びその上に配設された低温側熱交換ハウジング（頂部熱交換ハウジング）３２とから構成される。内側シリンダ３１は、膨張ピストン２１の往復するシリンダ空間を形成しており、上部３３及び下部３４がＯリング２４を介して組み合わされて構成さるれか、又は一体に製造してもよい。
【００２０】
図３（ａ）は低温側熱交換ハウジング３２を示しており、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ切断平面であり、図３（ｃ）は要部拡大図である。図２及び図３において、低温側熱交換ハウジング３２は、円筒状をしており、頂壁３５、側壁３６及び下端フランジ部３７とから構成される。側壁３６の先端側（図中上側）外周面にはフィン３８及び中間フランジ３８’が形成されている。頂壁３５は、フランジ頂壁部３５’と中央頂壁部３５”とから構成され、中央頂壁部３５”は、図２中のＷで示すように、側壁３６の頂端内面に溶着されて一体化される。又、頂壁３５は、側壁３６とともに後記するロストワックス鋳造によって一体に形成してもよい。
【００２１】
側壁３６の先端側内周面には、内側シリンダ３１の外面と密着するとともに、長軸方向の細溝３９が円周方向に間隔をおいて多数本形成されている。細溝３９と内側シリンダ３１の外面とにより作動ガスの流路が形成される。このようにして低温側熱交換ハウジング３２の頂部（コールドヘッド４０）は、冷却用熱交換器（低温側熱交換器）２９を形成している。このコールドヘッド４０は、空気、水、アルコールその他の冷熱冷媒と接触して、冷熱冷媒の冷却を行う。
【００２２】
低温側熱交換ハウジング３２の中央部の内周面には環状の凹部４１が形成され、内側シリンダ３１とともに環状空間４２を形成し、その内部に金属メッシュ等の再生器材料が充填され再生器２８が形成されている。低温側熱交換ハウジング３２の下端のフランジ部３７は放熱用熱交換器２７の上端のフランジ部４３に載置される。
【００２３】
本発明の低温側熱交換ハウジング３２は、ＳＵＳ系等の材料によりロストワックス法により鋳造される。即ち、本発明の低温側熱交換ハウジング３２は、外周面に冷却フィン３８が、内周面に作動ガスの流路用の細溝３９が形成されるように、ロストワックス鋳造により一体に製作されたものである構成を特徴とする。
【００２４】
このようにロストワックッス鋳造で製作された低温側熱交換ハウジング３２は、その外面に形成される冷却フィン３８が細かい襞状に精密に鋳造されるから、きわめて放熱性能に優れており、又内面に形成される軸方向の細溝３９も精密に鋳造されるから、作動ガスの流れを部分的に阻害することなく均一に流れるようにすることができ、冷凍性能を向上させる。
【００２５】
図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ切断平面であり、図４（ｃ）は要部の拡大図である。図２及び図４において、放熱用熱交換器２７は、図２及び図４に示されるようなアニュラータイプの熱交換器であり、この放熱用熱交換器２７は、高温側熱交換ハウジング（環状熱交換ハウジング）４４とその中に同心的に挿入された熱交換器本体４５とを有し、高温側熱交換ハウジング４４と熱交換器本体４５の間に冷却水等の熱交換媒体用の流路４６が形成され、上下端はシール４７に封止されている。この流路４６に連通するように、流入口４８及び流出口４９が形成されている。
【００２６】
この流路４６に面して熱交換器本体４５の外周壁に多数の放熱フィン５０が形成されており、熱交換器本体４５の内周壁面には、軸方向に沿って細溝５１が多数円周方向に一定間隔をおいて形成され、内側シリンダ３１との間でヘリウム等の熱交換流体の流路を構成している。
【００２７】
図１において、放熱用熱交換器２７は冷却水循環管路５２及び冷却水用ポンプＰ１を介して放熱器（ラジエータ）５３と接続しており、冷却水を循環している。放熱用熱交換器２７で熱交換され加熱された冷却水は放熱器５３の冷却ファン５４より冷却される。冷却水循環管路５２は、リザーババルブ５５を介して、リザーバタンク５６が接続されている。又、放熱器５３には、エアー抜き５７が接続されていると共に、ドレーンバルブ５８が接続されている。
【００２８】
本発明の放熱用熱交換器２７の熱交換器本体４５は、ＳＵＳ、銅、アルミニウム、又はその他の材料により、ロストワックス法により鋳造されており、熱交換器本体４５の外面に形成される放熱フィン５０は細かい襞状に精密に鋳造されるのできわめて放熱性能に優れている。又、内面に形成される軸方向の細溝５１も精密に一体的に鋳造されるので作動ガスの流れを部分的に阻害することなく均一に流れることができ、冷凍性能を向上させる。高温側熱交換ハウジング４４は、上記のようにロストワックス鋳造で形成してもよいし、通常の鋳鉄により製作してもよい。
【００２９】
図５は、本発明に係る膨張シリンダブロック２０の低温側熱交換ハウジングの変形例を説明する図である。図５（ａ）は、第１の変形例である低温側熱交換ハウジング３２’を示し、この低温側熱交換ハウジング３２’は、その外周面にフィンやフランジがロストワックス鋳造により一体に形成されていないものである。この第１の変形例では、フィン等が付設されない状態（図５（ａ）の状態。）で使用され、その周面に接する空気などの冷媒と熱交換が行われるか、あるいは、その外周面に熱交換される冷媒等を流す熱交換用チューブを巻き付けて（図示せず。）使用されたり、その周面に後付けで外部フィン及びフランジを形成して使用されたりする。
【００３０】
この後付けで外部フィン及びフランジを形成したものを第２の変形例として図５（ｂ）において示す。第２の変形例である低温側熱交換ハウジング３２”は、その周面に、Ｃｕ、Ａｌ、ＳＵＳ等の材料で円環状に製造された外部フィン５９及びハウジングと同一材料のフランジ６０、６１を溶着等により取り付けて構成される。このような外部フィンは、螺旋状その他の形状でもよい。
【００３１】
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に回動自在に連結されたコンロッド８、８’を介して、クロスガイドヘッド９、１８が往復動する。クロスガイドヘッド９、１８の夫々に圧縮ピストンロッド１７及び膨張ピストンロッド２３を介して連結された圧縮ピストン１５及び膨張ピストン２１が、互いに９０度の位相差をもって往復動する。
【００３２】
膨張ピストン２１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１５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３０及びマニホールド２６を通り放熱用熱交換器２７の細溝５１内に流入する。放熱用熱交換器２７内で冷却水に放熱した作動ガスは、再生器２８で冷却され、冷却用熱交換器２９の溝内を通って低温室２２（膨張空間）内に流入する。
【００３３】
圧縮ピストン１５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２１は急激に下死点に向かって移動し低温室２２（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。これによりコールドヘッド４０は冷却され低温となる。
【００３４】
そして、コールドヘッド４０において、冷却フィン３８に接する冷熱冷媒を冷却する。膨張ピストン２１が下死点から上死点に移動するときには圧縮ピストン１５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２２よりコールドヘッド４０の細溝３９を通り再生器２８に流入し作動ガスの有する冷熱を再生器２８に蓄熱する。再生器２８に蓄熱された冷熱は、上記のように高温室１６から放熱用熱交換器２７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。
【００３５】
そして、コールドヘッド４０において冷却された冷熱冷媒は、各種の冷熱利用機器を冷却する。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なう。コールドヘッド４０に循環して戻され、再度冷却される。
【００３６】
放熱用熱交換器２７で熱交換された冷却水は、冷却水循環管路５２から放熱器に流れ、そこで冷却ファンにより冷却され、再度放熱用熱交換器２７へと循環する。
【００３７】
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１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１を使用してもよいことはいうまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のスターリング冷却装置によると、次のような効果を奏することができる。
（１）膨張シリンダーブロックを構成する頂部熱交換ハウジングに、その内面に作動ガス流路を一体に形成し、又はこの内面の作動ガス流路に加えて外面に冷熱冷媒冷却用のフィンを一体に形成することで、特にロストワックス鋳造により精密に形成することにより、加工性が改善され、スターリング冷凍機自体の構造が極めて簡単化し低価格化するとともに、溝内の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、均一な肉厚を有し、精密に形成されたフィンにより熱交換性能、信頼性が向上する。
【００３９】
（２）放熱熱交換器の環状熱交換ハウジング及び熱交換器本体も、夫々一体に形成したので、特にロストワックス鋳造により精密に形成することにより、加工性が改善され、低価格を実現し、溝内の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ようにして、熱交換性能、信頼性が向上する。
【００４０】
（３）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、環境性のすぐれたフロン代替冷凍機を提供することができる。
【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を説明する全体図である。
【図２】本発明に係る熱機関用シリンダブロックの実施例として、膨張シリンダブロックを説明する図であり、その断面図である。
【図３】図２の膨張シリンダブロックの低温側熱交換ハウジング（頂部熱交換ハウジング）を説明する断面図及び平面図である。
【図４】図２の膨張シリンダブロックの高温側熱交換ハウジング（環状熱交換ハウジング）を説明する断面図及び平面図である。
【図５】本発明の実施例である膨張シリンダブロックの低温側熱交換ハウジングの第１及び第２の変形例を説明する断面図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
２ ハウジング
６ モータ
１４ 圧縮シリンダブロック
１５ 圧縮ピストン
２０ 膨張シリンダブロック
２１ 膨張ピストン
２７ 放熱用熱交換器
２８ 再生器
２９ 冷却用熱交換器
３２、３２’、３２” 低温側熱交換ハウジング（頂部熱交換ハウジング）
３８ 冷却フィン
３８’ 中間フランジ
３９、５１ 細溝
４１ 再生器用の環状の凹部
４４ 高温側熱交換ハウジング（環状熱交換ハウジング）
４５ 熱交換器本体
５０ 放熱用フィン
５３ 放熱器
５９ 別体後付けの冷却フィン
６０、６１ 別体後付けのフランジ
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、あるいは家庭用機器等のあるゆる産業分野の冷凍、冷却に使用できる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、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では、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吸熱用熱交換器（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なわれる。従来、熱交換器としては、例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器やプレートフィン式熱交換器等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スターリング冷凍機における熱交換器は、熱交換性能、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、厚肉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】
シェルアンドチューブ式熱交換器は組立に手間がかかり低コスト化では問題があり、プレートフィン式熱交換器も、同様にコスト面で問題があった。本発明は、上記問題を解決することを目的とするものである。
【０００６】
【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、頂壁及び側壁を有する円筒状の頂部熱交換ハウジングと、該頂部熱交換ハウジング内に配設され、熱機関のピストン又はディスプレーサが摺動する内側シリンダとを有するシリンダブロックであって、上記頂部熱交換ハウジングの先端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の細溝が形成されており、上記頂部熱交換ハウジングの基端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガスの再生器用の流路を形成する環状の凹部が形成されており、上記頂部熱交換ハウジングは、ロストワックス鋳造により形成された構成であることを特徴とする熱機関用のシリンダブロックを提供する。
【０００７】
そして、本発明は、上記課題を解決するために、熱機関のピストン又はディスプレーサが摺動する内側シリンダを有するシリンダブロックであって、上記内側シリンダの外側には、円筒状の環状熱交換ハウジングとその内側に挿入固定された熱交換器本体とから成る熱交換器が配設されており、上記熱交換器本体は、その外周面には、熱交換用のフィンが形成されており、その内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の細溝が形成されており、上記環状熱交換ハウジングと上記熱交換器本体との間の空間が冷媒通路とされ、該冷媒通路が連通するように、環状熱交換ハウジングは冷媒入口及び冷媒出口が形成されており、上記環状熱交換ハウジングは、ロストワックス鋳造又は鋳鉄により形成され、熱交換器本体は、ロストワックス鋳造により形成された構成であることを特徴とする熱機関用のシリンダブロックを提供する。
【０００８】
さらに、本発明は、上記課題を解決するために、頂壁及び側壁を有する円筒状の頂部熱交換ハウジングと、該頂部熱交換ハウジング内に配設され、熱機関のピストン又はディスプレーサが摺動する内側シリンダとを有するシリンダブロックであって、上記頂部熱交換ハウジングの先端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の細溝が形成されており、上記頂部熱交換ハウジングの基端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガスの再生器用の流路を形成する環状の凹部が形成されており、上記内側シリンダの外側には、円筒状の環状熱交換ハウジングとその内側に挿入固定された熱交換器本体とから成る熱交換器が配設されており、上記熱交換器本体は、その外周面には、熱交換用のフィンが形成されており、その内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の細溝が形成されており、上記環状熱交換ハウジングと上記熱交換器本体との間の空間が冷媒通路とされ、該冷媒通路が連通するように、上記環状熱交換ハウジングに冷媒入口及び冷媒出口が形成されており、上記頂部熱交換ハウジング及び上記熱交換器本体は、夫々ロストワックス鋳造により、又環状熱交換ハウジングは、ロストワックス鋳造又は鋳鉄により形成された構成であることを特徴とする熱機関用のシリンダブロックを提供する。
【０００９】
上記頂部熱交換ハウジングは、その先端側外周面に上記頂部熱交換ハウジングと一体に形成されたフィン、又は別体に形成され後付けされたフィンを有する。
【００１０】
上記熱機関が、スターリングサイクル機器、ヴィルミエサイクル機器又はクーク・ヤーボロフサイクル機器等である。
【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５は、本発明に係る熱機関用シリンダブロックの実施例を説明する図であり、図１は、本発明に係る熱機関用シリンダブロックが適用される熱機関の一例であるスターリング冷凍機１を説明する全体図である。スターリング冷凍機１のハウジング２は、鋳物で形成され、その内部は半密閉状態に保持される。このハウジング２内は、区画壁３によってモータ室４とクランク室５とに区画されている。
【００１２】
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の回転動作を往復動に変換するクランクシャフト７と、コンロッド８と、クロスガイドヘッド９が配設され、スターリング冷凍機１の駆動手段として機能している。
【００１３】
クランクシャフト７の二つのクランク部１０、１１は、モータ６の正転時にクランク部１１がクランク部１０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。
【００１４】
クランク室５の上部には、圧縮シリンダ１２と、圧縮シリンダ１２の若干上方に伸びて位置した膨張シリンダ１３とが配設されている。圧縮シリンダ１２と膨張シリンダ１３、並びにハウジング２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１２は、ハウジング２にボルト等によって固定される圧縮シリンダブロック１４を有し、この圧縮シリンダブロック１４の空間内を圧縮ピストン１５が往復する。この空間の上部（圧縮空間）が高温室１６であり、この中の作動ガスは圧縮されて高温となる。
【００１５】
圧縮ピストンロッド１７は、圧縮ピストン１５とクロスガイドヘッド９を連結し、圧縮シリンダ１２とクランク室５の間をオイルシール１９を通って伸びている。往復動する圧縮ピストン１５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、単位時間当たりの圧縮ピストン１５の移動による容積の変化量も最大となる。
【００１６】
一方、膨張シリンダ１３は、ハウジング２にボルト等によって固定される膨張シリンダブロック２０を有し、この膨張シリンダブロック２０の空間内を膨張ピストン２１が往復摺動して、この空間の上部（膨張空間）が低温室２２であり、この中の作動ガスが膨張し低温となる。膨張ピストンロッド２３は、膨張ピストン２１とクロスガイドヘッド１８とを連結し、膨張シリンダ１３とクランク室５との間をオイルシール２５を通って伸びている。膨張ピストン２１は、圧縮ピストン１５より９０度の位相だけ先行して移動する。
【００１７】
膨張シリンダブロック２０には、圧縮シリンダ１２の圧縮空間に作動ガスが流入流出するマニホールド２６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（高温側熱交換器）２７、再生器２８及び冷却用熱交換器（低温側熱交換器）２９が互いに順次連通して環状に配設されている。
【００１８】
圧縮シリンダブロック１４の上端部近くには、高温室１６とマニホールド２６を連通する連通孔３０が形成されており、これにより、高温室１６と低温室２２は、連通孔３０、マニホールド２６、放熱用熱交換器２７、再生器２８及び冷却用熱交換器２９を介して互いに順次連通するように構成されている。
【００１９】
本発明に係る熱機関用シリンダブロックを、その一例として、上記膨張シリンダブロック２０により、図２〜図５により詳細に説明する。図２において、膨張シリンダブロック２０は、内側シリンダ３１と、内側シリンダ３１の下部外側に同心的に配設された、放熱用熱交換器２７及びその上に配設された低温側熱交換ハウジング（頂部熱交換ハウジング）３２とから構成される。内側シリンダ３１は、膨張ピストン２１の往復するシリンダ空間を形成しており、上部３３及び下部３４がＯリング２４を介して組み合わされて構成さるれか、又は一体に製造してもよい。
【００２０】
図３（ａ）は低温側熱交換ハウジング３２を示しており、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ切断平面であり、図３（ｃ）は要部拡大図である。図２及び図３において、低温側熱交換ハウジング３２は、円筒状をしており、頂壁３５、側壁３６及び下端フランジ部３７とから構成される。側壁３６の先端側（図中上側）外周面にはフィン３８及び中間フランジ３８’が形成されている。頂壁３５は、フランジ頂壁部３５’と中央頂壁部３５”とから構成され、中央頂壁部３５”は、図２中のＷで示すように、側壁３６の頂端内面に溶着されて一体化される。又、頂壁３５は、側壁３６とともに後記するロストワックス鋳造によって一体に形成してもよい。
【００２１】
側壁３６の先端側内周面には、内側シリンダ３１の外面と密着するとともに、長軸方向の細溝３９が円周方向に間隔をおいて多数本形成されている。細溝３９と内側シリンダ３１の外面とにより作動ガスの流路が形成される。このようにして低温側熱交換ハウジング３２の頂部（コールドヘッド４０）は、冷却用熱交換器（低温側熱交換器）２９を形成している。このコールドヘッド４０は、空気、水、アルコールその他の冷熱冷媒と接触して、冷熱冷媒の冷却を行う。
【００２２】
低温側熱交換ハウジング３２の中央部の内周面には環状の凹部４１が形成され、内側シリンダ３１とともに環状空間４２を形成し、その内部に金属メッシュ等の再生器材料が充填され再生器２８が形成されている。低温側熱交換ハウジング３２の下端のフランジ部３７は放熱用熱交換器２７の上端のフランジ部４３に載置される。
【００２３】
本発明の低温側熱交換ハウジング３２は、ＳＵＳ系等の材料によりロストワックス法により鋳造される。即ち、本発明の低温側熱交換ハウジング３２は、外周面に冷却フィン３８が、内周面に作動ガスの流路用の細溝３９が形成されるように、ロストワックス鋳造により一体に製作されたものである構成を特徴とする。
【００２４】
このようにロストワックッス鋳造で製作された低温側熱交換ハウジング３２は、その外面に形成される冷却フィン３８が細かい襞状に精密に鋳造されるから、きわめて放熱性能に優れており、又内面に形成される軸方向の細溝３９も精密に鋳造されるから、作動ガスの流れを部分的に阻害することなく均一に流れるようにすることができ、冷凍性能を向上させる。
【００２５】
図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ切断平面であり、図４（ｃ）は要部の拡大図である。図２及び図４において、放熱用熱交換器２７は、図２及び図４に示されるようなアニュラータイプの熱交換器であり、この放熱用熱交換器２７は、高温側熱交換ハウジング（環状熱交換ハウジング）４４とその中に同心的に挿入された熱交換器本体４５とを有し、高温側熱交換ハウジング４４と熱交換器本体４５の間に冷却水等の熱交換媒体用の流路４６が形成され、上下端はシール４７に封止されている。この流路４６に連通するように、流入口４８及び流出口４９が形成されている。
【００２６】
この流路４６に面して熱交換器本体４５の外周壁に多数の放熱フィン５０が形成されており、熱交換器本体４５の内周壁面には、軸方向に沿って細溝５１が多数円周方向に一定間隔をおいて形成され、内側シリンダ３１との間でヘリウム等の熱交換流体の流路を構成している。
【００２７】
図１において、放熱用熱交換器２７は冷却水循環管路５２及び冷却水用ポンプＰ１を介して放熱器（ラジエータ）５３と接続しており、冷却水を循環している。放熱用熱交換器２７で熱交換され加熱された冷却水は放熱器５３の冷却ファン５４より冷却される。冷却水循環管路５２は、リザーババルブ５５を介して、リザーバタンク５６が接続されている。又、放熱器５３には、エアー抜き５７が接続されていると共に、ドレーンバルブ５８が接続されている。
【００２８】
本発明の放熱用熱交換器２７の熱交換器本体４５は、ＳＵＳ、銅、アルミニウム、又はその他の材料により、ロストワックス法により鋳造されており、熱交換器本体４５の外面に形成される放熱フィン５０は細かい襞状に精密に鋳造されるのできわめて放熱性能に優れている。又、内面に形成される軸方向の細溝５１も精密に一体的に鋳造されるので作動ガスの流れを部分的に阻害することなく均一に流れることができ、冷凍性能を向上させる。高温側熱交換ハウジング４４は、上記のようにロストワックス鋳造で形成してもよいし、通常の鋳鉄により製作してもよい。
【００２９】
図５は、本発明に係る膨張シリンダブロック２０の低温側熱交換ハウジングの変形例を説明する図である。図５（ａ）は、第１の変形例である低温側熱交換ハウジング３２’を示し、この低温側熱交換ハウジング３２’は、その外周面にフィンやフランジがロストワックス鋳造により一体に形成されていないものである。この第１の変形例では、フィン等が付設されない状態（図５（ａ）の状態。）で使用され、その周面に接する空気などの冷媒と熱交換が行われるか、あるいは、その外周面に熱交換される冷媒等を流す熱交換用チューブを巻き付けて（図示せず。）使用されたり、その周面に後付けで外部フィン及びフランジを形成して使用されたりする。
【００３０】
この後付けで外部フィン及びフランジを形成したものを第２の変形例として図５（ｂ）において示す。第２の変形例である低温側熱交換ハウジング３２”は、その周面に、Ｃｕ、Ａｌ、ＳＵＳ等の材料で円環状に製造された外部フィン５９及びハウジングと同一材料のフランジ６０、６１を溶着等により取り付けて構成される。このような外部フィンは、螺旋状その他の形状でもよい。
【００３１】
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に回動自在に連結されたコンロッド８、８’を介して、クロスガイドヘッド９、１８が往復動する。クロスガイドヘッド９、１８の夫々に圧縮ピストンロッド１７及び膨張ピストンロッド２３を介して連結された圧縮ピストン１５及び膨張ピストン２１が、互いに９０度の位相差をもって往復動する。
【００３２】
膨張ピストン２１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１５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３０及びマニホールド２６を通り放熱用熱交換器２７の細溝５１内に流入する。放熱用熱交換器２７内で冷却水に放熱した作動ガスは、再生器２８で冷却され、冷却用熱交換器２９の溝内を通って低温室２２（膨張空間）内に流入する。
【００３３】
圧縮ピストン１５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２１は急激に下死点に向かって移動し低温室２２（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。これによりコールドヘッド４０は冷却され低温となる。
【００３４】
そして、コールドヘッド４０において、冷却フィン３８に接する冷熱冷媒を冷却する。膨張ピストン２１が下死点から上死点に移動するときには圧縮ピストン１５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２２よりコールドヘッド４０の細溝３９を通り再生器２８に流入し作動ガスの有する冷熱を再生器２８に蓄熱する。再生器２８に蓄熱された冷熱は、上記のように高温室１６から放熱用熱交換器２７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。
【００３５】
そして、コールドヘッド４０において冷却された冷熱冷媒は、各種の冷熱利用機器を冷却する。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なう。コールドヘッド４０に循環して戻され、再度冷却される。
【００３６】
放熱用熱交換器２７で熱交換された冷却水は、冷却水循環管路５２から放熱器に流れ、そこで冷却ファンにより冷却され、再度放熱用熱交換器２７へと循環する。
【００３７】
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１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１を使用してもよいことはいうまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のスターリング冷却装置によると、次のような効果を奏することができる。
（１）膨張シリンダーブロックを構成する頂部熱交換ハウジングに、その内面に作動ガス流路を一体に形成し、又はこの内面の作動ガス流路に加えて外面に冷熱冷媒冷却用のフィンを一体に形成することで、特にロストワックス鋳造により精密に形成することにより、加工性が改善され、スターリング冷凍機自体の構造が極めて簡単化し低価格化するとともに、溝内の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、均一な肉厚を有し、精密に形成されたフィンにより熱交換性能、信頼性が向上する。
【００３９】
（２）放熱熱交換器の環状熱交換ハウジング及び熱交換器本体も、夫々一体に形成したので、特にロストワックス鋳造により精密に形成することにより、加工性が改善され、低価格を実現し、溝内の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ようにして、熱交換性能、信頼性が向上する。
【００４０】
（３）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、環境性のすぐれたフロン代替冷凍機を提供することができる。
【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を説明する全体図である。
【図２】本発明に係る熱機関用シリンダブロックの実施例として、膨張シリンダブロックを説明する図であり、その断面図である。
【図３】図２の膨張シリンダブロックの低温側熱交換ハウジング（頂部熱交換ハウジング）を説明する断面図及び平面図である。
【図４】図２の膨張シリンダブロックの高温側熱交換ハウジング（環状熱交換ハウジング）を説明する断面図及び平面図である。
【図５】本発明の実施例である膨張シリンダブロックの低温側熱交換ハウジングの第１及び第２の変形例を説明する断面図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
２ ハウジング
６ モータ
１４ 圧縮シリンダブロック
１５ 圧縮ピストン
２０ 膨張シリンダブロック
２１ 膨張ピストン
２７ 放熱用熱交換器
２８ 再生器
２９ 冷却用熱交換器
３２、３２’、３２” 低温側熱交換ハウジング（頂部熱交換ハウジング）
３８ 冷却フィン
３８’ 中間フランジ
３９、５１ 細溝
４１ 再生器用の環状の凹部
４４ 高温側熱交換ハウジング（環状熱交換ハウジング）
４５ 熱交換器本体
５０ 放熱用フィン
５３ 放熱器
５９ 別体後付けの冷却フィン
６０、６１ 別体後付けのフランジ
Claims (5)
- 頂壁及び側壁を有する円筒状の頂部熱交換ハウジングと、該頂部熱交換ハウジング内に配設され、熱機関のピストン又はディスプレーサが摺動する内側シリンダとを有するシリンダブロックであって、
上記頂部熱交換ハウジングの頂部は、冷熱冷媒と接触して冷却を行うものであり、該頂部熱交換ハウジングの先端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の複数の細溝が円周方向に間隔をおいて形成されており、
上記頂部熱交換ハウジングの基端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガスの再生器用の流路を形成する環状の凹部が形成されており、
上記頂部熱交換ハウジングは、ロストワックス鋳造により形成された構成であることを特徴とする熱機関用のシリンダブロック。 - 熱機関のピストン又はディスプレーサが摺動する内側シリンダを有するシリンダブロックであって、
上記内側シリンダの外側には、円筒状の環状熱交換ハウジングとその内側に挿入固定された熱交換器本体とから成る熱交換器が配設されており、
上記熱交換器本体は、その外周面には、熱交換用の放熱フィンが形成されており、その内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の複数の細溝が円周方向に間隔をおいて形成されており、
上記環状熱交換ハウジングと上記熱交換器本体との間の空間が冷媒通路とされ、該冷媒通路が連通するように、上記環状熱交換ハウジングに冷媒入口及び冷媒出口が形成されており、
上記環状熱交換ハウジングは、ロストワックス鋳造又は鋳鉄により、又上記熱交換器本体は、ロストワックス鋳造により形成された構成であることを特徴とする熱機関用のシリンダブロック。 - 頂壁及び側壁を有する円筒状の頂部熱交換ハウジングと、該頂部熱交換ハウジング内に配設され、熱機関のピストン又はディスプレーサが摺動する内側シリンダとを有するシリンダブロックであって、
上記頂部熱交換ハウジングの頂部は、冷熱冷媒と接触して冷却を行うものであり、該頂部熱交換ハウジングの先端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の複数の細溝が円周方向に間隔をおいて形成されており、
上記頂部熱交換ハウジングの基端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガスの再生器用の流路を形成する環状の凹部が形成されており、
上記内側シリンダの外側には、円筒状の環状熱交換ハウジングとその内側に挿入固定された熱交換器本体とから成る熱交換器が配設されており、
上記熱交換器本体は、その外周面には、熱交換用の放熱フィンが形成されており、その内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の複数の細溝が円周方向に間隔をおいて形成されており、
上記環状熱交換ハウジングと上記熱交換器本体との間の空間が冷媒通路とされ、該冷媒通路が連通するように、上記環状熱交換ハウジングに冷媒入口及び冷媒出口が形成されており、
上記頂部熱交換ハウジング及び上記熱交換器本体はロストワックス鋳造により、環状熱交換ハウジングは、ロストワックス鋳造又は鋳鉄により形成された構成であることを特徴とする熱機関用のシリンダブロック。 - 上記頂部熱交換ハウジングは、その先端側外周面に、上記頂部熱交換ハウジングと一体に形成されたフィン、又は別体に形成され後付けされたフィンを有することを特徴とする、請求項１又は３記載の熱機関用のシリンダブロック。
- 熱機関が、スターリングサイクル機器、ヴィルミエサイクル機器又はクーク・ヤーボロフサイクル機器であることを特徴とする、請求項１、２、３又は４記載の熱機関用のシリンダブロック。
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