(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリング冷凍機の冷却ヘッド、該冷却ヘッドで冷却される冷熱冷媒を流すポンプを有する冷熱冷媒管路及び冷熱利用機器の冷熱冷媒配管とから構成される冷熱冷媒の循環路を備えたスターリング冷却装置において、
上記冷熱冷媒管路にベローズタンクを有するベローズ式タンク装置が接続されており、
上記ベローズ式タンク装置は、冷熱冷媒のリザーバタンクを介して上記冷熱冷媒管路に接続されていることを特徴とするスターリング冷却装置。
【請求項２】
スターリング冷凍機の冷却ヘッド、該冷却ヘッドで冷却される冷熱冷媒を流すポンプを有する冷熱冷媒管路及び冷熱利用機器の冷熱冷媒配管とから構成される冷熱冷媒の循環路を備えたスターリング冷却装置において、
上記冷熱冷媒管路にベローズタンクを有するベローズ式タンク装置が接続されており、
上記ベローズタンクは、頂部には弁を備えた冷熱冷媒供給用の供給管が接続されていることを特徴とするスターリング冷却装置。
【請求項３】
スターリング冷凍機の冷却ヘッド、該冷却ヘッドで冷却される冷熱冷媒を流すポンプを有する冷熱冷媒管路及び冷熱利用機器の冷熱冷媒配管とから構成される冷熱冷媒の循環路を備えたスターリング冷却装置において、
上記冷熱冷媒管路にベローズタンクを有するベローズ式タンク装置が接続されており、
上記ベローズ式タンク装置は、冷熱冷媒のリザーバタンクを介して上記冷熱冷媒管路に接続され、上記ベローズタンクは、頂部には弁を備えた冷熱冷媒供給用の供給管が接続されていることを特徴とするスターリング冷却装置。
【請求項４】
スターリング冷凍機の冷却ヘッド、該冷却ヘッドで冷却される冷熱冷媒を流すポンプを有する冷熱冷媒管路及び冷熱利用機器の冷熱冷媒配管とから構成される冷熱冷媒の循環路を備えたスターリング冷却装置において、
上記冷熱冷媒管路にベローズタンクを有するベローズ式タンク装置が接続されており、
上記ベローズタンクは、底部は支持フレームに固定されており、頂部は支持フレームに対して摺動可動に取り付けられているとともに、該頂部には弁を備えた冷熱冷媒供給用の供給管が接続されていることを特徴とする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、スターリング冷凍機を使用したスターリング冷却装置であり、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に使用できる、きわめて汎用性の高いスターリング冷却装置に関し、特に二次冷熱冷媒循環路のリザーバ用のベローズ式タンク装置に関する。
【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（単一、二元あるいは混合冷媒等）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。
【０００３】
しかしながら、上記従来の構成によると、次のような問題がある。地球環境問題に対する国際的な取組みの本格化を背景として、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り、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。
【０００４】
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求められている超低温領域の実現には、さらなる開発が必要である。
【０００５】
従来の冷却装置は、２元あるいは２段冷凍システムとなるために構造が複雑であり、コストが高くなる。そして、従来の冷却装置では恒温維持のための加熱が難しい。
【０００６】
本発明者らは、これらの従来の冷却装置の問題を解決するために、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、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スターリング冷却装置を提案している（特開平１１−２２３４０４号公報参照。）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
スターリング冷却装置の冷却ヘッドにより冷却された二次冷熱冷媒は、冷熱冷媒管路で冷熱利用機器の冷却用配管に送られ冷却作用を行って、再度冷却ヘッドに循環するような冷熱冷媒が循環する閉じた循環路が構成される。この循環路内の冷熱冷媒はその収縮等により容積が変動し、循環路内の圧力が変動する。このために冷熱冷媒が不安定な流れを生じたり脈動流を生じたりする。これは、熱移送の安定性の点から好ましくない。又循環路を構成する配管等の機器へ機械的負荷となり損傷、劣化の原因となる。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決することを目的とするものであり、冷熱冷媒の収縮による容積変動や循環路内の圧力変動に対して冷熱冷媒の容積をほぼ一定に維持し、冷熱冷媒管路内の圧力変動に対する圧力の平準化を行い、冷熱冷媒の循環路内を循環する冷熱冷媒の流れの安定性を図り、良好な熱移送をするとともに、配管等の機器へ機械的負荷による損傷や劣化等を防止することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決する手段】
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冷却ヘッド、該冷却ヘッドで冷却される冷熱冷媒を流すポンプを有する冷熱冷媒管路及び冷熱利用機器の冷熱冷媒配管とから構成される冷熱冷媒の循環路を備えたスターリング冷却装置において、上記冷熱冷媒管路にベローズタンクを有するベローズ式タンク装置が接続されており、上記ベローズ式タンク装置は、冷熱冷媒のリザーバタンクを介して上記冷熱冷媒管路に接続されていることを特徴とするスターリング冷却装置を提供する。
【００１０】
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冷却ヘッド、該冷却ヘッドで冷却される冷熱冷媒を流すポンプを有する冷熱冷媒管路及び冷熱利用機器の冷熱冷媒配管とから構成される冷熱冷媒の循環路を備えたスターリング冷却装置において、上記冷熱冷媒管路にベローズタンクを有するベローズ式タンク装置が接続されており、上記ベローズタンクは、頂部には弁を備えた冷熱冷媒供給用の供給管が接続されていることを特徴とするスターリング冷却装置を提供する。
【００１１】
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冷却ヘッド、該冷却ヘッドで冷却される冷熱冷媒を流すポンプを有する冷熱冷媒管路及び冷熱利用機器の冷熱冷媒配管とから構成される冷熱冷媒の循環路を備えたスターリング冷却装置において、上記冷熱冷媒管路にベローズタンクを有するベローズ式タンク装置が接続されており、上記ベローズ式タンク装置は、冷熱冷媒のリザーバタンクを介して上記冷熱冷媒管路に接続され、上記ベローズタンクは、頂部には弁を備えた冷熱冷媒供給用の供給管が接続されていることを特徴とするスターリング冷却装置を提供する。
【００１２】
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冷却ヘッド、該冷却ヘッドで冷却される冷熱冷媒を流すポンプを有する冷熱冷媒管路及び冷熱利用機器の冷熱冷媒配管とから構成される冷熱冷媒の循環路を備えたスターリング冷却装置において、上記冷熱冷媒管路にベローズタンクを有するベローズ式タンク装置が接続されており、上記ベローズタンクは、底部は支持フレームに固定されており、頂部は支持フレームに対して摺動可動に取り付けられているとともに、該頂部には弁を備えた冷熱冷媒供給用の供給管が接続されていることを特徴とするスターリング冷却装置を提供する。
【００１５】
【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実施例１を説明する図である。この実施例１のスターリング冷却装置１は、スターリング冷凍機２を有している。スターリング冷凍機２の詳細は、本出願人の出願に係る特開平２０００−１４６３４０号公報に詳述しているので、ここでは省略する。
【００１６】
スターリング冷凍機２は冷却ヘッド３を有する。冷却ヘッド３には二次冷熱冷媒管路（以下、単に「冷熱冷媒管路」という。）４が接続されており、冷熱冷媒管路４で送られてくる冷熱冷媒を冷却ヘッド３で冷却する。この冷熱冷媒管路４の両端は、冷凍庫等の冷熱利用機器５の冷熱冷媒配管６（その途中に冷熱熱交換器が接続されている。）の出口端７、入口端８に接続される。これによって、冷却ヘッド３、冷熱冷媒管路４及び冷熱利用機器５の冷熱冷媒配管６から成る冷熱冷媒が循環する循環路９が構成されている。
【００１７】
冷熱冷媒管路４の途中には冷熱冷媒用ポンプＰ１が配設されており、冷熱冷媒を循環路９中を循環させている。これにより、冷却ヘッド３で冷却された冷熱冷媒は、冷熱冷媒管路４によって、冷凍庫等の冷熱利用機器５に送られる。
【００１８】
冷熱利用機器５としては、冷凍庫以外にも、冷蔵庫、投げ込み式クーラ、低温液循環器、各種の温度特性試験用の低温恒温器、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、これらの冷熱利用機器５をスターリング冷凍機の冷熱冷媒管路４に接続することにより、利用可能である。
【００１９】
冷熱冷媒管路４のポンプＰ１の入口上側には、図１に示すように、開閉弁１１及びリザーバタンク１０を介してベローズ式タンク装置１２が接続されている。開閉弁は、必要に応じてその開度が調整されるように構成されている。このベローズ式タンク装置１２は、その中には特に冷熱冷媒は充填されておらず、使用に際しては、リザーバタンク１０を介して閉回路をなす冷熱冷媒の循環路９内の圧力調整をする機能を有する。
【００２０】
ベローズ式タンク装置１２は、図２に示すように、ベローズタンク１３及び支持フレーム１４を有する。ベローズタンク１３は、ベローズ１５の下端及び上端が、夫々底板１６及び頂板１７に密封した状態で取り付けられ密閉空間を形成している。底板１６は支持フレーム１４にネジで固着されており、頂板１７は摺動支持部材１８によりその両側で支持フレーム１４に上下摺動可能なように取り付けられている。これにより、ベローズ１５が伸縮可能となり、ベローズタンク１３の容積が可変となる。
【００２１】
ベローズタンク１３には冷熱冷媒の供給管１９が接続され、この供給管１９には、冷熱冷媒を補充するための供給開閉弁２０が設けられている。冷熱冷媒管路４の冷却ヘッド３の出口側と冷熱冷媒の供給管１９が開閉弁２１を介して管路２２で接続されている。なお、この開閉弁２１の代わりに、図１中、点線で示すようなキャピラリーチューブ２３を介する構成としてもよい。この開閉弁２１は、運転時には冷熱冷媒の状態により全閉あるいはある程度の開度に設定される。冷熱冷媒を冷熱冷媒管路４内に供給、充填する際には開かれて、エア抜きに使用される。
【００２２】
供給開閉弁２０は、常時閉じているが、冷熱冷媒を補充する際には開く。冷熱冷媒としては、エタノール、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、ポリフルオロカーボン（ＰＦＣ）等の低温領域で使用可能な液体が使用される。又、ベローズの材料としては、ゴム、樹脂、金属材料（ＳＵＳ材等）等が使用される。このベローズ材料は、使用される冷熱冷媒の材料を考慮して選択される。
【００２３】
リザーバタンク１０は、冷熱冷媒管路４より上方に配置され、その内部に冷熱冷媒が充填されており、これにより冷熱冷媒管路４に常時液圧をかけている。なお、本実施例ではベローズ式タンク装置１２はリザーバタンク１０を介して、冷熱冷媒管路４のポンプの入口側に接続しているが、ポンプの出口側に接続してもよい。
【００２４】
以上の構成による本発明の作用を説明する。スターリング冷凍機２が動作すると冷却ヘッド３が冷却され低温となる。そして、冷却ヘッド３において、冷熱冷媒管路４を循環する冷熱冷媒を冷却する。そして、冷却ヘッド３において冷却された冷熱冷媒は、冷熱冷媒管路４から、例えば、冷凍庫等の冷熱利用機器５内の冷熱冷媒配管６に送られ、冷熱利用機器５内で冷凍あるいは冷却作用を行う。
【００２５】
冷熱利用機器５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６から、冷熱冷媒管路４を通り、冷却ヘッド３に戻され、そこで冷却される。このように、冷熱冷媒は、スターリング冷凍機２の冷却ヘッド３、冷熱冷媒管路４及び冷熱利用機器５の冷熱冷媒配管６から成る循環路９内で循環し、スターリング冷凍機２の冷却ヘッド冷却され、冷熱利用機器５において冷却作用をする。
【００２６】
循環路９内を循環する冷熱冷媒は、その収縮等により容積が変動し、循環路９内の圧力が変動する。このために冷熱冷媒が脈動流等不安定な流れを生じたりする。これは、熱移送の安定性の点から好ましくない、又、循環路９を構成する配管等の機器へ機械的負荷となり損傷、劣化の原因となる。
【００２７】
本発明では、リザーバタンク１０内に冷熱冷媒が充填されており、循環路９に常時液圧をかけ冷熱冷媒を供給できる構成であるから、冷熱冷媒の収縮による容積変動に対応して循環路９内の冷熱冷媒の容積を一定にできる。さらに、循環路９内の圧力が大きく変動しても、この変動に対応してベローズ１５が伸縮する。これにより、循環路９内の圧力変動に対する圧力の平準化が可能である。
【００２８】
この結果、循環路９内を循環する冷熱冷媒の流れ及び循環路９内の圧力が安定し、良好な熱移送が可能となり、配管等の機器へ機械的負荷による損傷、劣化等も防止でき、寿命の向上も可能となる。
【００２９】
図３は、本発明に係るスターリング冷却装置の実施例２を示す図である。この実施例２は、実施例１とほぼ同じ構成であるが、異なる点は、実施例１におけるリザーバタンク１０をなくして、ベローズタンク１３がリザーバタンクを兼用し、その中に冷却用冷媒を充填している構成である。開閉弁２１は、実施例１同様に、運転時には冷熱冷媒の状態により全閉あるいはある程度の開度に設定される。冷熱冷媒を冷熱冷媒管路４内に供給、充填する際には開かれて、エア抜きに使用される。
【００３０】
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。
【００３１】
【発明の効果】
本発明による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。即ち、循環路内の冷熱冷媒はその収縮等により容積が変動し、循環路内の圧力が変動しても、ベローズ式タンク装置によって、冷熱冷媒の収縮による容積の変動や循環路内の圧力変動に対して冷熱冷媒の容積を維持し、循環路内の圧力変動に対する圧力の平準化を行い、冷熱冷媒の循環路内を循環する冷熱冷媒の流れの安定性を図り、良好な熱移送をするとともに、配管等の機器へ機械的負荷による損傷、劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスターリング冷却装置の実施例１を説明する図である。
【図２】本発明のベローズ式タンクの構成を説明する図である。
【図３】本発明のスターリング冷却装置の実施例２を説明する図である。
【符号の説明】
１    スターリング冷却装置
２    スターリング冷凍機
３    冷却ヘッド
４    冷熱冷媒管路
５    冷熱利用機器
６    冷熱冷媒配管
７    出口端
８    入り口端
９    循環路
１０    リザーバタンク
１１、２１    開閉弁
１２    ベローズ式タンク装置
１３    ベローズタンク
１４    支持フレーム
１５    ベローズ
１６    底板
１７    頂板
１８    摺動支持部材
１９    供給管
２０    供給開閉弁
２３    キャピラリーチューブ
【図１】
0003679726.tif 000002
【図２】
0003679726.tif 000003
【図３】
0003679726.tif 000004