(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスを封入し、冷却ヘッド及び放熱用熱交換器を有するスターリング冷凍機と、前記冷却ヘッドにおいて冷却される冷熱冷媒が流される冷熱冷媒管路と、前記冷熱冷媒管路の一端に設けられた冷熱冷媒の入口栓及び他端に設けられた出口栓とを具備し、前記冷熱冷媒の出口栓及び入口栓を、冷熱利用機器の冷熱冷媒管略に着脱可能に接続することにより、前記スターリング冷凍機と前記冷熱利用機器の間で、冷熱冷媒の循環管路を形成して、前記冷熱利用機器に冷熱を搬送することからなるスターリング冷却装置において、スターリング冷凍機に温度検出器を設け、かつ前記放熱用熱交換器と放熱装置とを環状につないで構成した冷却水循環管路に水圧検出器を設け、前記温度検出器と前記水圧検出器の出力によりスターリング冷凍機の運転を制御することを特徴とするスターリング冷却装置。
【請求項２】
温度検出器あるいは水圧検出器の検出値が所定値以上になった時にスターリング冷凍機の運転を停止することを特徴とする請求項１記載のスターリング冷却装置。
【請求項３】
水圧検出器の検出値が所定値以上の時にスターリング冷凍機の運転を停止し、所定値以下になったらスターリング冷凍機の運転を再開することを特徴とする請求項１記載のスターリング冷却装置。
【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却装置に関し、特にスターリング冷却装置を構成するスターリング冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、業務用、家庭用の冷熱関連機器の冷凍装置としては、フロンを冷媒として使用したシステムが知られている。そして地球環境問題を背景とした昨今のフロン規制に対しては、ＨＣＦＣ、ＨＦＣを使用した冷凍装置が知られているが、今後、特定フロン及び代替フロンを含めフロン使用の一層の規制が求められる方向にある。又、従来の冷媒としてフロンを使用した冷却装置は、そのシステムの特性から使用温度領域が狭く、特に、昨今の各産業分野における技術発展に伴い、他の方式の冷却装置の開発の必要性が重要となっている。
【０００３】
そこで、フロンを使用せずに、従来の冷却装置より使用温度が広範囲で、例えば、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スターリング冷凍機からなるスターリング冷却装置が注目されている。
【０００４】
スターリング冷却装置として、作動ガスを封入し、冷却ヘッド及び放熱用熱交換器を有するスターリング冷凍機と、上記冷却ヘッドにおいて冷却される冷熱冷媒が流される冷熱冷媒管路と、上記冷熱冷媒管路の一端に設けられた冷熱冷媒の入口栓及び他端に設けられた出口栓と、上記冷熱冷媒の出口栓及び入口栓を、冷熱利用機器の冷熱冷媒管路に着脱可能に接続することにより、上記スターリング冷凍機と上記冷熱利用機器の間で、冷熱冷媒の循環管路を形成して、上記冷熱利用機器に冷熱を搬送するように構成されたものが知られている。
【０００５】
そして、スターリング冷凍機では冷凍機に温度検出器を設け、冷凍機の水冷部の温度の状態を監視し、冷凍機に異常が発生し温度が上昇したら、冷凍機の運転を停止して保護を図っていた。また、冷凍機の水冷部の圧力上昇に伴い温度も上昇するので、温度検出器で温度に対する圧力を検知することも可能である。しかし、温度検出器は温度の追従性が悪いのと、断線の恐れもあるため、フェールセーフ的に使用するので温度検知にやや時間を要していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、冷凍機に異常が発生し水冷部の急激な圧力上昇には、温度検出器による検出のように間接検知では対応できず、エアコンの冷媒回路のように、温水用のホースは溶接されていないので、水圧上昇によるホースの抜け等の不都合な事態が生じる可能性があった。本発明は、水ポンプ故障等の冷凍機の異常が発生し水冷部の急激な圧力上昇が生じても圧力を直接的に検知し、ホースの抜け等の不都合を防止できるスターリング冷凍機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係るスターリング冷却装置は、作動ガスを封入し、冷却ヘッド及び放熱用熱交換器を有するスターリング冷凍機と、前記冷却ヘッドにおいて冷却される冷熱冷媒が流される冷熱冷媒管路と、前記冷熱冷媒管路の一端に設けられた冷熱冷媒の入口栓及び他端に設けられた出口栓とを具備し、前記冷熱冷媒の出口栓及び入口栓を、冷熱利用機器の冷熱冷媒管略に着脱可能に接続することにより、前記スターリング冷凍機と前記冷熱利用機器の間で、冷熱冷媒の循環管路を形成して、前記冷熱利用機器に冷熱を搬送することからなるスターリング冷却装置において、スターリング冷凍機に温度検出器を設け、かつ前記放熱用熱交換器と放熱装置とを環状につないで構成した冷却水循環管路に水圧検出器を設け、前記温度検出器と前記水圧検出器の出力によりスターリング冷凍機の運転を制御する構成とした。
【０００８】
こうして、水ポンプ故障等の冷凍機の異常が発生し水冷部の急激な圧力上昇が生じても圧力を直接的に検知し、冷却水循環路に用いるホースの抜け等の不都合を防止できるスターリング冷凍機を提供を実現できる。
【０００９】
本発明の請求項２に係るスターリング冷却装置は、作動ガスを封入し、冷却ヘッド及び放熱用熱交換器を有するスターリング冷凍機と、前記冷却ヘッドにおいて冷却される冷熱冷媒が流される冷熱冷媒管路と、前記冷熱冷媒管路の一端に設けられた冷熱冷媒の入口栓及び他端に設けられた出口栓とを具備し、前記冷熱冷媒の出口栓及び入口栓を、冷熱利用機器の冷熱冷媒管略に着脱可能に接続することにより、前記スターリング冷凍機と前記冷熱利用機器の間で、冷熱冷媒の循環管路を形成して、前記冷熱利用機器に冷熱を搬送することからなるスターリング冷却装置において、スターリング冷凍機に温度検出器を設け、かつ前記放熱用熱交換器と放熱装置とを環状につないで構成した冷却水循環管路に水圧検出器を設け、前記温度検出器あるいは前記水圧検出器の検出値が所定値以上になった時にスターリング冷凍機の運転を停止する構成とした。
【００１０】
こうして、温度検出器が冷凍機の水冷部の温度の状態を監視し、冷凍機に異常が発生し温度が上昇したら、冷凍機の運転を停止して保護し、また、水ポンプ故障等の冷凍機の異常が発生し水冷部の急激な圧力上昇が生じても圧力を直接的に検知し、ホースの抜け等の不都合を確実にすばやく防止できる。
【００１１】
本発明の請求項３に係るスターリング冷却装置は、作動ガスを封入し、冷却ヘッド及び放熱用熱交換器を有するスターリング冷凍機と、前記冷却ヘッドにおいて冷却される冷熱冷媒が流される冷熱冷媒管路と、前記冷熱冷媒管路の一端に設けられた冷熱冷媒の入口栓及び他端に設けられた出口栓とを具備し、前記冷熱冷媒の出口栓及び入口栓を、冷熱利用機器の冷熱冷媒管略に着脱可能に接続することにより、前記スターリング冷凍機と前記冷熱利用機器の間で、冷熱冷媒の循環管路を形成して、前記冷熱利用機器に冷熱を搬送することからなるスターリング冷却装置において、スターリング冷凍機に温度検出器を設け、かつ前記放熱用熱交換器と放熱装置とを環状につないで構成した冷却水循環管路に水圧検出器を設け、前記水圧検出器の検出値が所定値以上の時にスターリング冷凍機の運転を停止し、所定値以下になったらスターリング冷凍機の運転を再開する構成とした。
【００１２】
こうして、水圧検出器の検出値が所定値以上の時にスターリング冷凍機の運転を停止し、所定値以下になったらスターリング冷凍機の運転を再開するようにしたので、一時的な冷凍機の異常であれば、自動的に冷凍機の運転を継続し、これらの動作が複数回繰り返えされたら、スターリング冷凍機の運転を停止して故障の除去のための作業に移行できて効率的である。
【００１３】
【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は、本発明のスターリング冷却装置の概略を説明する図である。スターリング冷却装置１は、箱型のケース２内に本発明のスターリング冷凍機３を配設して構成される。
【００１４】
スターリング冷凍機３は、冷却ヘッド４を有し、冷却ヘッド４には、冷熱冷媒（スターリング冷凍機３で発生した冷熱を冷凍庫等の熱利用機器に搬送するための冷媒）を循環させる冷熱冷媒管路５が接続されていて、この冷熱冷媒管路５の両端はケース２を貫通し、ケース２の外部において冷熱冷媒の入口栓６と出口栓７が設けられている。
【００１５】
スターリング冷却装置１の使用に際しては、この入口栓６と出口栓７には、冷凍庫等の冷熱利用機器８の冷熱冷媒配管の出口端９、入口端１０が着脱自在に接続される。冷熱冷媒管路５の途中には冷熱冷媒用ポンプＰ２が配設されており、冷熱冷媒をスクーリング冷凍機３の冷却ヘッド４と冷熱利用機器８の間を循環させている。
【００１６】
冷熱利用機器８としては、冷凍庫以外にも、冷蔵庫、投げ込み式クーラー、低温液循環器、各種の温度特性試験用の低温垣温器、恒温槽、ヒートショック試験装置、凍結乾燥機、コールドクーラ等があり、スターリング冷却装置１は、これらの冷熱利用機器を上記入口栓６、出口栓７に接続することにより利用が可能である。
【００１７】
図２において、スターリング冷凍装置３について詳細に説明する。本発明のスターリング冷凍機３のハウジング１１は、鋳物で形成され、ハウジング１１の頂部にはシリング１２が形成されている。このハウジング１１内は、区画壁１３によってモータ室１４とクランク室１５とに区画され、このモータ室１４には正逆回転可能なモータ１６が、クランク室１５には、モータ１６の回転動作を往復動に変換する回転往復変換機構部１７が夫々配設されている。モータ室の開口１８及びクランク室の開口１９は、夫々蓋２０、２１で閉止され、ハウジング１１内が半密閉状熊に保持される。
【００１８】
ハウジング１１内には、区画壁１３を貫通し、ハウジング壁、区画壁１３及び蓋２０、２１の軸受部２２に軸支されたクランクシヤフト２３が回転可能に配置されている。モータ１６は、ステータ２４ａと、このステータの内周側に回転可能に配置されたロータ２４ｂとから構成され、このロータ２４ｂの中央にクランクシャフト２３が固定されている。
【００１９】
回転往復変換機構部１７は、クランク室１５内に延びたクランクシャフト２３のクランク部２５と、このクランク部２５に連結されたコンロッド２６、２７と、このコンロッド２６、２７の先端に取り付けられたクロスガイドヘッド２８、２９とで構成され、スターリング冷凍機３の駆動手段として機能している。
【００２０】
クロスガイドヘッド２８、２９は、ハウジング１１のシリング１２の内壁に設けられたクロスガイドライナ３０、３１内を往復動可能に配置されている。クランク部は、モータ１６の正転時にクランク２５ｂがクランク２５ａ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９０度の位相差が採用される。
【００２１】
スターリング冷凍機３のハウジング１１のクランク室１５の上部には、圧縮シリンダ３２と、圧縮シリング３２の若干上方に位置した膨張シリング３３とが配設されている。圧縮シリング３２と膨張シリング３３を含めハウジング１１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３２は、ハウジング１１にボルト等によって固定される圧縮シリンダブロック３４を有し、この圧縮シリンダブロック３４の空間内をピストンリング３５の付設された圧縮ピストン３６が往復摺動して、この空間の上部（圧縮空間）が高温室３７であり、この中の作動ガスは圧縮されて高温となる。
【００２２】
圧縮ピストンロッド３８は、一端が圧縮ピストン３６に固定し、他端がオイルシール３９を介して伸び、ピンによってクロスガイドヘッドに回動自在に連結されている。往復動する圧縮ピストン３６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、単位時間当たりのピストンの移動による容積の変化量も最大となる。
【００２３】
一方、膨張シリング３３は、圧縮シリング３２の上部にボルト等によって固定される膨張シリングブロック４０を有し、この膨張シリンダブロック４０の空間内をピストンリング３５の付設された膨張ピストン４２が往復摺動して、この空間の上部（膨張空間）が低温室４１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４２には、膨張ピストンロッド４３の一端が固定され、膨張ピストンロッド４３の他端はオイルシール４４を介して伸び、クロスガイドヘッド２９に連結されている。膨張ピストン４２は、圧縮ピストン３６より９０度の位相だけ先行して移動する。
【００２４】
膨張シリングブロツク４０には、図面下から、圧縮シリング３２の圧縮空間に作動ガスが流入流出するマニホールド４５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４６、蓄冷器４７及び高温室３７への通路４８が互いに順次連通して環状に配設されている。圧縮シリンダブロック３４の上端部近くには、高温室３７とマニホールド４５を連通する連通孔４９が形成されており、これにより、高温室３７（圧縮空間）と低温室４１（膨張空間）は、連通孔４９、マニホールド４５、放熱用熱交換器４６、蓄冷器４７及び通路４８を介して互いに順次連通するように構成されている。上記通路４８は、この部分に熱交換器を配してクーラとすることも可能である。
【００２５】
放熱用熱交換器４６は、アニュラータイプの熱交換器、例えば、環状の熱交換室内に作動ガスを流す多数のチューブを軸方向に貫設して、冷却用の水を熱交換室内に流して作動ガスを冷却するシェルアンドチューブ式熱交換器、あるいは、環状の作動ガス流路の周囲に環状のジャケットを配設し、このジャケット内に冷却水を流して作動ガスの冷却を行なう熱交換器等がある。そして、放熱用熱交換器４６には水冷部の温度を検知する保護用の温度検出器６０が配置されている。
【００２６】
放熱用熱交換器４６は冷却水循環管路５４及び冷却水用ポンプＰ１を介して放熱器５５と接続しており、冷却水を循環している。放熱用熱交換器４６で熱交換され加熱された冷却水は放熱器の冷却ファンより冷却される。また、冷却水循環管路５４には水圧を検出するための水圧検出器５０が設置されている。冷却水循環管路は、配管が分岐接続されていて、この配管には、リザーババルブ５６を介して、水用リザーバタンク５７が接続されている。又、放熱器には、エアー抜き５８が接続されていると共に、ドレーンバルブ５９が接続されている。
【００２７】
放熱用熱交換器４６は、上記のように水冷式ではなく、膨張シリンダブロック４０の作動ガス流路の外壁面に空冷フィンを形成して成る空冷式の構造としてもよい。膨張シリングブロック４０の上部には冷却ヘッド４が形成されている。
【００２８】
既に説明したように、冷却ヘッド４は冷熱冷媒管路５及び冷熱冷媒用ポンプＰ２を介して冷熱利用機器８と接続され冷熱冷媒を循環している。冷熱冷媒管路５には、サクションタンク６５が配設されている。このサクションタンク６５には、リザーババルブ６６を介して、冷熱冷媒リザーバタンク６７が接続されている。サクションタンク６５には、ドレーンバルブ６８が接続されている。
又、冷熱冷媒管路５には、エアー抜き６９が接続されている。冷熱冷媒としては、エチルアルコール、ＨＦＥ、ＰＦＣ、窒素、ヘリウム等が使用される。
【００２９】
このスターリング冷凍機は、圧縮シリンダ３２と膨張シリンダ３３の２ピストンとすることにより、スターリング冷凍機３内の作動ガスの充填された空間の容積変動を大きくすることによって、冷凍能力の大きいスターリング冷凍機３を提供できるようにしている。
【００３０】
なお、本発明のスターリング冷凍機３に温度制御装置を備え、冷熱利用機器８側に温度検出器を設ければ、スクーリング冷凍機３側から冷熱利用機器８の温度制御を行なうことができる。即ち、図３において、冷熱利用機器８には温度検出器を配設し、スターリング冷凍機には、温度設定パネルにより温度設定を可能とする温度制御装置を配設する。この温度制御装置を構成する温度制御回路内の比較回路において、温度検出器で検知した冷熱利用機器８の温度信号を設定された温度と比較し、設定された温度を中心とする許容温度範囲にあるか否かを判断し、その結果に応じてスターリング冷凍機３のモータ１６をオンオフ制御又はインバータ制御して、あるいは、モータ１６を逆回転させて、上記許容温度範囲内の温度を保ちながら運転を行なうことができる。
【００３１】
次に、本発明の上記実施例のスターリング冷凍機３の作用を説明する。モータ１６によってクランクシャフト２３が正方向に回転し、クランク室１５内のクランク２５ａ、２５ｂが９０度位相がずれて回転する。このクランク部２５ａ、２５ｂに回動自在に連結されたコンロッド２６、２７を介して、このコンロツド２６、２７の先端に取り付けられたクロスガイドヘッド２８、２９が、クロスガイドライナ３０、３１内を往復摺動する。クロスガイドヘッド２８、２９の夫々に圧縮ピストンロッド３８及び膨張ピストンロッド４３を介して連結された圧縮ピストン３６及び膨張ピストン４２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４２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３６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４９及びマニホールド４５を通り放熱用熱交換器４６に流入する。放熱用熱交換器４６内で冷却水に放熱した作動ガスは、蓄冷器４７で冷却され、通路４８を通って低温室４１（膨張空間）内に流入する。
【００３３】
圧縮ピストン３６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４２は急激に下死点に向かって移動し低温室４１（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。これにより膨張空間を囲む冷却ヘッド４部の膨張シリンダブロック４０の頂部は冷却され低温となる。
【００３４】
そして、冷却ヘッド４において、冷熱冷媒管路を循環する冷熱冷媒を冷却する。膨張ピストン４２が下死点から上死点に移動するときには圧縮ピストン３６は中間位置から下死点に向かっており、作動ガスは膨張空間より通路を通り蓄冷器４７に流入し作動ガスの有する冷熱を蓄冷器４７に蓄熱する。蓄冷器４７に蓄熱された冷熱は、上記のように高温室３７から放熱用熱交換器４６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、冷却ヘッド４において冷却された冷熱冷媒は、冷熱冷媒管路５、冷熱冷媒出口栓７から、例えば、冷凍庫等の冷熱利用機器８内の冷熱冷媒配管に送られ、冷熱利用機器８内で冷凍あるいは冷却作用を行なう。冷熱利用機器８内で、冷熱冷媒は熱を吸収し冷却作用をして、冷熱冷媒配管から、冷却装置の冷熱冷媒入口栓６に送られ、冷熱冷媒管路５を通り、冷却ヘッド４に戻され、そこで冷却される。
【００３６】
このように、冷熱冷媒がスターリング冷凍機３の冷却ヘッド４と冷熱利用機器８との間で循環し、スターリング冷凍機３で冷熱冷媒は冷却され、この冷熱冷媒が冷熱利用機器８において冷却作用をする。以下、同様のサイクルが繰り返される。
【００３７】
放熱用熱交換器４６で熱交換された冷却水は、冷却水循環管路５４から放熱器５５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４６へと循環する。
【００３８】
又、冷熱利用機器８が冷却恒温槽である場合、上記モータ１６の逆回転による冷却運転を利用することができる。即ち、本発明の冷却装置を通常の冷却運転を行ないながら、恒温槽の温度を測定して、その結果により温度制御装置の温度制御回路により、逐次、モータ１６を逆回転制御して加熱運転を行ない、恒温を維持することができる。
【００３９】
放熱用熱交換器４６には水冷部の温度を検知する保護用の温度検出器６０が配置されているので、スターリング冷凍機の水冷部の温度の状態を監視し、冷凍機に異常が発生し温度が上昇したら、冷凍機駆動用のモータの運転を停止して保護を図っている。
【００４０】
また、冷凍機に異常が発生し水冷部の急激な圧力上昇には、温度検出器６０による圧力変化の間接検知では対応できないので、冷却水循環管路５４に設置されている水圧を検出するための水圧検出器５０が、水ポンプ故障等の冷凍機の異常が発生し水冷部の急激な圧力上昇を直接的に検知し、冷凍機駆動用のモータの運転を停止して保護を図る。こうして、エアコンの冷媒回路のように、温水用のホースは溶接されていないものであっても、水圧上昇によりホース抜け等の不都合を防止できる。
【００４１】
また、水圧検出器の検出値が所定値以上の時にスターリング冷凍機の運転を停止し、所定値以下になったらスターリング冷凍機の運転を再開するようにし、一時的な冷凍機の異常であれば、自動的に冷凍機の運転を継続し、これらの動作が複数回繰り返えされたらスターリング冷凍機の運転を停止して、故障の除去のための作業に移行するようにしてもよい。
【００４２】
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３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３を使用してもよいし、また、水圧検出器５０に替えて圧力スイッチを使用してもよいことはいうまでもない。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明は、水ポンプ故障等の冷凍機の異常が発生し水冷部の急激な圧力上昇が生じても、この圧力上昇を直接的に検知し、冷却水循環路に用いるホースの抜け等の不都合を防止できるスターリング冷凍機を提供を実現できる。
【００４４】
また、温度検出器が冷凍機の水冷部の温度の状態を監視し、冷凍機に異常が発生し温度が上昇したら、冷凍機の運転を停止して保護し、また、水ポンプ故障等の冷凍機の異常が発生し水冷部の急激な圧力上昇が生じても、この圧力上昇を直接的に検知し、ホースの抜け等の不都合を確実にすばやく防止できる。
【００４５】
また、水圧検出器の検出値が所定値以上の時にスターリング冷凍機の運転を停止し、所定値以下になったらスターリング冷凍機の運転を再開するようにしたので、一時的な冷凍機の異常であれば、自動的に冷凍機の運転を継続し、これらの動作が複数回繰り返えされたら、スターリング冷凍機の運転を停止して故障の除去のための作業に移行できて効率的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】スターリング冷却装置の全体概念図である。
【図２】本発明のスターリング冷凍機を示す図である。
【図３】本発明のスターリング冷凍機の温度制御と保護制御を示す図である。
【符号の説明】
１        スターリング冷却装置
２        ケース
３        スターリング冷凍機
４        冷却ヘッド
５          冷熱冷媒管路
６        入口栓
７        出口栓
８        冷熱利用機器
９        出口端
１０      入口端
３２      圧縮シリング
３３      膨張シリング
３６      圧縮ピストン
３７      高温室（圧縮空間）
４１        低温室（膨張空間）
４２        膨張ピストン
５０      水圧検出器
５５        放熱器
６０      温度検出器
【図１】
0003630993.tif 000002
【図２】
0003630993.tif 000003
【図３】
0003630993.tif 000004