(57)【要約】【課題】  スターリング冷凍機のウォームセクションでの放熱を十分に促進することができ、コンパクト、低騒音、かつ低消費電力である放熱システムを有するスターリング冷凍システム等を提供する。【解決手段】  スターリング冷凍システム１は、冷熱を生成するスターリング冷凍機２と、冷熱の生成の代償として発生した温熱を放出するための放熱システム３とを備えている。放熱システム３は、スターリング冷凍機２のウォームセクション１１に取り付けられた吸熱用熱交換器４と、温熱を外気へ放出するための放熱用熱交換器５と、吸熱用熱交換器４と放熱用熱交換器５とを接続するとともに、冷媒が循環する循環用配管８と、放熱用熱交換器５に送風する送風ファン６とを有している。また、送風ファン６は、放熱用熱交換器５とスターリング冷凍機２との間に設置されている。【選択図】        図１
2006138543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆スターリングサイクルによって冷熱を生成するスターリング冷凍機と、
前記スターリング冷凍機で発生した温熱を放出する放熱システムとを備え、
前記放熱システムは、
前記スターリング冷凍機のウォームセクションに取り付けられた吸熱用熱交換器と、
前記スターリング冷凍機の上方に設けられ、外気へ温熱を放出するための放熱用熱交換器と、
前記吸熱用熱交換器と前記放熱用熱交換器とを接続するとともに、前記ウォームセクションで発生した温熱を受け取った高温側二次冷媒が自然循環する循環用配管と、
前記放熱用熱交換器における前記高温側二次冷媒と外気との熱交換を促進する気流を生成する送風機とを有し、
前記送風機が、前記放熱用熱交換器と前記スターリング冷凍機との間に設置された、スターリング冷凍システム。
【請求項２】
前記気流が仮想の面を通過するときに、最大風速がＶｍａｘであり、最小風速がＶｍｉｎであり、かつ、平均風速がＶａｖｅである場合において、前記仮想の面に生じる風速分布の均一度合を示す値であって、ＤＩ＝（Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ）／Ｖａｖｅという式によって規定されるディストーションインデックスＤＩの値が、０以上かつ０．５以下である、請求項１に記載のスターリング冷凍システム。
【請求項３】
前記送風機は、前記放熱用熱交換器の下側に設置された、請求項１に記載のスターリング冷凍システム。
【請求項４】
前記送風機は、前記放熱用熱交換器の位置よりも前記気流の上流側の位置に設けられた、請求項１に記載のスターリング冷凍システム。
【請求項５】
前記送風機は、前記放熱用熱交換器の位置よりも前記気流の下流側の位置に設けられた、請求項１に記載のスターリング冷凍システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のスターリング冷凍システムを備えた、冷却庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング冷凍システムおよびそれを備えた冷却庫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷蔵庫などに用いられている従来の冷凍機は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用したものである。この蒸気圧縮式冷凍機においては、冷媒として主に特定フロン（CFC:Chloro Fluoro Carbon）または代替フロン（HCFC:Hydro Chloro Fluoro Carbon）が用いられ、フロンの凝縮作用および蒸発作用を利用することによって、所要の冷却能力が得られている。これらの冷媒は、非常に化学的安定性が高いため、大気中に放出されると成層圏に達して、オゾン層を破壊するという指摘がある。このため、近年、特定フロンまたは代替フロンを対象としたフロンの使用および生産が規制されてきている。
【０００３】
そのため、蒸気圧縮式冷凍機の代替品として、逆スターリングサイクルを用いたスターリング冷凍機が注目を集めている。
【０００４】
スターリング冷凍機は、その構造がコンパクトであり、冷凍能力が大きい割に、その低温部および高温部ともに表面積が小さい。そのため、スターリング冷凍機を用いれば、冷凍システムの放熱および吸熱効率が高められるため、冷却庫の性能を飛躍的に向上させることができる。
【０００５】
また、スターリング冷凍機を用いるスターリング冷凍システムは、低温部にて生成された冷熱を伝達する冷却システムと、高温部にて発生した温熱を効率的に放出する放熱システムとを有している。このスターリング冷凍システムを備える冷却庫は、冷凍性能が非常に高いが、従来の冷却庫には必要なかった放熱システムを有している。そのため、放熱システムによって冷却庫内の冷却対象物が収容される空間の容積が狭められている。したがって、スターリング冷凍システムを冷却庫に用いる場合には、放熱システムをコンパクトにすることが切望されている。
【０００６】
図９は、従来の放熱システムを有するスターリング冷凍システム１の正面図である。図１０は、図９におけるＡ−Ａ断面図である。なお、図中の矢印は気流の向きを表す。
【０００７】
放熱システム３は、スターリング冷凍機２のウォームセクション１１に取り付けられた吸熱用熱交換器（高温側熱搬送サイクルにおける蒸発器）４と、送風ファン６と、送風ファン６が生成する気流によって放熱が促進される放熱用熱交換器（高温側熱搬送サイクルにおける凝縮器）５とを有している。吸熱用熱交換器４と放熱用熱交換器５とは、吸熱用熱交換器４と放熱用熱交換器５との間で冷媒を循環させるための循環用配管８によって互いに接続されている。また、吸熱用熱交換器４の内部には、図示しない気液分離器または液溜が設けられている。
【０００８】
従来の放熱システムにおける放熱用熱交換器５の形状は、縦１７０ｍｍ、横２００ｍｍ、かつ、高さ１００ｍｍの直方体である。放熱用熱交換器５においては、縦１７０ｍｍ、かつ、横２００ｍｍの開口部１０が設けられている。開口部１０にはダクト９が連通している。送風ファン６は、ダクト９の終端部に直径７０ｍｍの軸流ファンが２個並列に設けられている。送風ファン６によって生じた気流は、図９および図１０中の矢印で示すように、スターリング冷凍機２から放熱用熱交換器５に向かって流れる。それにより、その気流は、放熱用熱交換器５を通過した後、ダクト９の終端から送風ファン６を経て放熱システム３の外部に放出される。スターリング冷凍システム１は、冷却庫の中段部に設置される。また、送風ファン６は、その回転中心軸が冷却庫の後方に気流が排出されるように設けられている。
【０００９】
図１１は、従来の放熱システム３の放熱用熱交換器５の開口部１０の風速分布を示す図であり、図９および図１０に示す放熱システム３の開口部１０を上側から見た図である。図中の放熱用熱交換器５の開口部１０の縦軸の０の位置から外部に向かって気流が流出されるように、送風ファン６の回転中心軸が冷却庫の後部上方に向かって延びている。また、放熱用熱交換器５の開口部１０に対して送風ファン６の径が小さい。そのため、風速分布に偏りが生じている。放熱システム３において所望の熱交換能力を得るためには、風速分布に偏りがある状態では、偏流の無い状態に比較して、大きな風量が必要になる。その結果、騒音値が増大するとともに、消費電力が増加してしまう。
【００１０】
スターリング冷凍機２のウォームセクション（ウォームヘッドまたは高温部）１１から放熱を効率よく行なうための技術が特開２００３-３０２１１７号公報に開示されている。
【００１１】
また、放熱を効率よく行ないながら、放熱システムをコンパクトにする技術が特開２００４-１５６８０２号公報に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−３０２１１７号公報
【特許文献２】特開２００４−１５６８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
放熱システム３の冷媒を循環させる駆動力として冷媒の自然循環作用を利用する場合には、放熱用熱交換器５を吸熱用熱交換器４よりも高い位置に設けなければならない。一方、放熱用熱交換器５と吸熱用熱交換器４との間の距離を大きくした場合には、放熱システム３の放熱効率が低下する。そのため、お互いの位置関係が適切なものとなるように調整する必要がある。そのため、スターリング冷凍機２と放熱用熱交換器５の間にはある程度の大きさの空間が必要となる。したがって、スターリング冷凍システム１をコンパクトにすることが困難であるという問題がある。
【００１３】
また、特許文献１および特許文献２のそれぞれに記載の放熱システムでは、スターリング冷凍システムをコンパクトにすることができるが、放熱用熱交換器の開口部に対して均一に送風できないため、放熱用熱交換器中の通風抵抗の小さい部分に強い気流が生じる、すなわち偏流が生じるという問題がある。なお、十分に長いダクトを有する送風経路内に送風ファンを設置するという方法も従来から用いられているが、この方法ではスターリング冷凍システムをコンパクトにすることが困難であるという問題がある。
【００１４】
また、気流が放熱用熱交換器の全体に均一に生じないため、所望の熱交換能力を確保するためには、送風ファンの送風能力を増加させなければならない。このため、送風ファンを大型化させるという方法が考えられる。しかしながら、この方法ではスターリング冷凍システムをコンパクトにするという要望に応えられないという問題が生じる。また、送風ファンを大型化させずに、送風ファンの回転数を増加させることによって、風量を増加させる方法も考えられる。しかしながら、この方法では騒音値が増大するとともに消費電力が増加するという問題がある。
【００１５】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、スターリング冷凍機のウォームセクションで発生する温熱の放出が促進されるとともに、コンパクトで、騒音が小さく、かつ消費電力が小さな放熱システムを有するスターリング冷凍システムおよびそれを備えた冷却庫を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、逆スターリングサイクルによって冷熱を生成するスターリング冷凍機と、スターリング冷凍機で発生した温熱を放出する放熱システムとを備えている。放熱システムは、スターリング冷凍機のウォームセクションに取り付けられた吸熱用熱交換器と、スターリング冷凍機の上方に設けられ、外気へ温熱を放出するための放熱用熱交換器とを有している。吸熱用熱交換器と放熱用熱交換器とは、ウォームセクションで発生した温熱を受け取った高温側二次冷媒が自然循環する循環用配管によって接続されている。また、放熱システムは、送風機を有しており、送風機によって放熱用熱交換器における高温側二次冷媒と外気との熱交換を促進する気流が生成される。また、送風機は、放熱用熱交換器とスターリング冷凍機との間に設置されている。
【００１７】
この構成によれば、放熱用熱交換器と吸熱用熱交換器またはスターリング冷凍機との間に必然的に生じる空間であって、従来のスターリング冷凍システムにおいては有効に活用されていなかった空間が有効に活用される。
【００１８】
また、気流が仮想の面を通過するときに、最大風速がＶｍａｘであり、最小風速がＶｍｉｎであり、かつ、平均風速がＶａｖｅである場合において、仮想の面に生じる風速分布の均一度合を示す値であって、ＤＩ＝（Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ）／Ｖａｖｅという式によって規定されるディストーションインデックスＤＩの値が、０以上かつ０．５以下であることが望ましい。
【００１９】
この構成によれば、放熱用熱交換器の周囲を通過する気流が偏流となることを抑制することができる。そのため、放熱用熱交換器における熱交換の効率を高めることができる。
【００２０】
また、送風機が放熱用熱交換器の下側に設置されていれば、送風機が放熱用熱交換器から熱的な悪影響を受け難い。そのため、より長寿命な放熱システムを有するスターリング冷凍システムが得られる。
【００２１】
また、送風機は、放熱用熱交換器の位置よりも前述の気流の上流側の位置に設けられていれば、放熱用熱交換器は上昇気流を有効利用して放熱することができる。そのため、送風機の負担が軽減される。その結果、より騒音が小さく、かつ、消費電力が小さな放熱システムを有するスターリング冷凍システムが得られる。
【００２２】
また、送風機は、放熱用熱交換器の位置よりも前述の気流の下流側の位置に設けられていれば、放熱用熱交換器の整流効果によって、送風機に送り込まれる気流が整流される。そのため、より騒音が小さな放熱システムを有するスターリング冷凍システムを得ることができる。
【００２３】
また、本発明の冷却庫は、前述の放熱システムを備えている。そのため、ウォームセクションにおいて受け取った温熱を放熱用熱交換器を介して外部へ効率よく放出することができ、コンパクトで、かつ、地球環境に与える悪影響が小さな放熱システムを有するスターリング冷凍システムが搭載された冷却庫を得ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、放熱用熱交換器と吸熱用熱交換器またはスターリング冷凍機との間に必然的に生じる空間であって、従来有効に活用されていなかった空間を有効に活用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図を参照しながら、本発明の実施の形態のスターリング冷凍システムを説明する。なお、各実施の形態においては、同一の部位には同一の参照符号が付されており、その説明は繰り返さない。また、図１、図６、図７、および図９のそれぞれは、スターリング冷凍システム１の正面図であるが、ダクト９のみについては、それに内包される放熱用熱交換器５および送風ファン６が見えるようにするために、断面図となっている。
【００２６】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍システム１を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態のスターリング冷凍機２の放熱システム３を示す概略図である。放熱システム３は、スターリング冷凍機２のウォームセクション１１に取り付けられた吸熱用熱交換器４と、送風ファン６と、送風ファン６が生成する気流によって放熱する放熱用熱交換器５とを有している。吸熱用熱交換器４と放熱用熱交換器５とは、吸熱用熱交換器４と放熱用熱交換器５との間で高温側二次冷媒を循環させるための循環用配管８によって互いに接続されている。また、吸熱用熱交換器４の内部には、図示しない気液分離器または液溜が設けられている。なお、前述の構成は、従来のスターリング冷凍システム１と同様である。
【００２７】
また、本実施の形態のスターリング冷凍システム１においては、放熱用熱交換器５は、伝熱フィンと伝熱管とを有している。伝熱フィンは、熱伝導性の良好なアルミまたは銅などからなる板状部材が互いに平行に所定の間隔で配置されたものである。また、伝熱管は、伝熱フィンと同様の素材からなり、蛇行しながら、複数の伝熱フィンを貫通している。つまり、本実施の形態のスターリング冷凍システム１においては、いわゆるフィンチューブ型熱交換器が用いられている。このフィンチューブ型熱交換器は、通風抵抗が小さく、また、ホコリの付着量も少ないため、メンテナンスフリーを実現できるというメリットを有している。ただし、フィンチューブ型熱交換器のうち伝熱面積が大きいものが用いられる場合には、冷却庫内の空間が熱交換器によって大きく占有されてしまう。なお、伝熱フィンは、その熱伝導性能が高ければ、本実施形態で用いられるものに限定されず、如何なるものであってもよい。たとえば、伝熱フィンは、格子型またはコルゲート型のものであってもよい。これらの伝熱フィンは、本実施形態における伝熱フィンと比較して、表面積が大きいため、高い熱交換効率を有している。また、伝熱フィンの形状は、スターリング冷凍機２の形状に適合する環状（ドーナツ状）であってもよい。ただし、放熱用熱交換器５を設置する場所および状況に応じて適切な型の伝熱フィンが選択されることが望ましい。
【００２８】
上記放熱システム３の循環用配管８内には水とエタノールとの混合物が高温側二次冷媒として封入されている。この冷媒を用いることにより、環境および人体への悪影響を低減することができる。他の冷媒の例としては、水（単体）、アルコール、炭化水素、ＣＯ2、またはアンモニア等が挙げられる。ただし、前述の冷媒は、それぞれ、メリットとデメリットとを有しているため、状況に応じて適切なものが選択されることが望ましい。
【００２９】
たとえば、炭化水素が用いられれば、高い熱交換効率を実現することができる。しかしながら、炭化水素は、爆発性を有しているため、循環用配管８内への封入量が制限される。また、ＣＯ2は、無毒であるが、圧縮率が高いため、循環用配管の耐圧を高める必要がある。また、アンモニアは、従来から実用的に用いられている冷媒であり、特にそれが低温で用いられる場合には数多くの実績がある。しかしながら、アンモニアは、毒性ガスかつ可燃性ガスであるため、その取扱いには十分な配慮が必要となる。さらに、アンモニアは、危険性が高いため、その使用においては、防毒マスク、警報装置、除害装置、および吸収材等を準備する必要がある。その結果、アンモニアを用いない他の放熱システムに比べて、アンモニアを用いる放熱システムは、その付帯設備費用が大きなものとなる。
【００３０】
また、循環用配管８内にフロンガスが冷媒として封入された場合には、フロン冷媒の蒸発および凝縮による潜熱を積極的に利用することによって、顕熱による熱交換よりも熱伝達量が数１０倍も大きくなる。そのため、スターリング冷凍機２の成績係数（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）を大幅に向上させることができるとともに、スターリング冷凍機２の消費電力を低減させることができる。しかしながら、フロン冷媒は、地球温暖化係数（ＧＷＰ：Global Warming Potential）が非常に高い。たとえば、最も広く使用されているフロン冷媒（ＨＦＣ−１３４ａ）は、その地球温暖化係数が二酸化炭素の１３００倍であり、地球温暖化を大きく促進させてしまう。そのため、全世界的にフロン冷媒の使用および生産が規制されてきている。
【００３１】
本実施形態においては、水とエタノールとの混合物が高温側二次冷媒として使用されるが、本発明に用いられる高温側二次冷媒は、前述のものに限定されず、他の冷媒であってもよい。
【００３２】
次に、図１を参照して、放熱システム３の動作について説明する。スターリング冷凍機２が駆動されると、スターリング冷凍機２内の一次冷媒（たとえば、ヘリウム）の逆スターリングサイクルによって、コールドセクションに冷熱が生成され、その代償として、ウォームセクション１１に温熱が発生する。この温熱は、ウォームセクション１１の外周面から吸熱用熱交換器４に伝達され、それにより、吸熱用熱交換器４内に溜まっている高温側二次冷媒が蒸発する。その結果、冷媒蒸気が生成される。冷媒蒸気は、放熱用熱交換器５に接続されている循環用配管８の往路内を上昇して、吸熱用熱交換器４よりも高い位置に設置された放熱用熱交換器５に流入する。放熱用熱交換器５内においては、冷媒蒸気は、外気と熱交換することによって、液化する。それにより、純粋の液体冷媒または気体が混ざっている液体冷媒が生成される。その液体冷媒は、吸熱用熱交換器４に接続された循環用配管８の復路内を下降し、その途中で気液分離器によって気体と液体とに分離される。その後、液体冷媒は、吸熱用熱交換器４に戻り、再びウォームセクション１１から温熱を受け取って蒸発する。
【００３３】
本実施の形態の放熱システム３によれば、冷媒の蒸発および凝縮における潜熱を利用することによって、顕熱による熱交換よりも数１０倍も大きい熱伝達量の熱交換が行なわれるため、熱交換効率が大幅に高められる。
【００３４】
さらに、本実施形態の放熱システム３によれば、吸熱用熱交換器４と放熱用熱交換器５との高さの差と、気体冷媒の比重と液体冷媒の比重との差とに起因する圧力差を利用して、高温側二次冷媒を循環させる駆動力を得ることができる。したがって、ポンプなどの駆動装置の動力なしに冷媒を自然循環させることができるため、消費電力を低減することが可能になる。なお、循環用配管８を吸熱用熱交換器４の最下端部に接続すれば、前述の圧力差が大きくなるため、冷媒の蒸発および凝縮による自然循環をより一層円滑にすることができる。
【００３５】
また、本実施形態の放熱システム３によれは、ポンプ等の駆動装置が必要ないため、製造コストを低減することができる。また、放熱システム３の寿命が、駆動装置の寿命によって決定されてしまうことがない。つまり、放熱システム３の寿命が長くなる。
【００３６】
次に、本実施形態における送風ファン６の配置について説明する。図２は、本発明のスターリング冷凍システム１の概略図を示す。上述のように冷媒を循環させる駆動力として冷媒の自然循環作用を利用する場合には、放熱用熱交換器５を吸熱用熱交換器４およびスターリング冷凍機２よりも上方に設置する必要がある。
【００３７】
また、放熱用熱交換器５と吸熱用熱交換器４との間の距離Ｄが大き過ぎる場合には、放熱性能が悪化し、外気の温度が低くなるほどその悪影響が顕著に表れる。そのため、放熱用熱交換器５と吸熱用熱交換器４との位置関係を適切にする必要がある。その結果、放熱用熱交換器５と吸熱用熱交換器４およびスターリング冷凍機２との間には、必要でありながら従来においては有効に活用されていない無駄な空間Ｓが存在する。
【００３８】
したがって、放熱システム３の構成要素である送風ファン６を前述の空間Ｓに設置することによって、必要でありながら有効に活用されていない空間Ｓを有効に活用することができる。また、前述のような位置に送風ファン６を設置すれば、送風ファン６の駆動によって生じる気流がスターリング冷凍機２本体付近を通過するため、放熱用熱交換器５のみならずスターリング冷凍機２本体もまた冷却される。
【００３９】
ところで、一般に、放熱用熱交換器５の伝熱面積が一定であると仮定とした場合、熱交換効率を向上させるためには、放熱用熱交換器５において生じる高温側二次冷媒と外気との熱伝達作用を促進させることが必要である。そこで、放熱用熱交換器５の熱伝達を向上させる手法の一つとして風速を大きくする手法が考えられる。しかしながら、この手法では、送風ファン６の回転数を大きくするために騒音値が増大するといった問題がある。この問題を解決するために、本実施形態のスターリング冷凍システム１においては、次に説明する構造が採用されている。
【００４０】
図３は、本発明の第１の実施形態の放熱用熱交換器５が設置される仮想の空間を説明するための模式図である。本実施形態においては、放熱用熱交換器５は、図３に示すように、縦１７０（ｍｍ）、横２００（ｍｍ）、かつ、高さ１００（ｍｍ）の直方体の空間内に設置されていると仮定する。また、放熱用熱交換器５は、仮想の直方体の空間とほぼ同様の形状であるものとする。本実施形態においては、外径ｄ＝１７０（ｍｍ）の円形状の送風ファン６が、放熱用熱交換器５が設置される仮想の直方体の空間内の上面または下面と平行な縦ａ＝１７０（ｍｍ）かつ横ｂ＝２００（ｍｍ）の仮想の長方形の面に対向し、かつ、前述の長方形の対角線の交点を通る前述の長方形の面に垂直な軸と送風ファン６の回転中心軸とが一致するように、送風ファン６によって生じる気流の上流側、すなわち、放熱用熱交換器５の下側に設置されている。なお、仮想の長方形は、前述の開口部１０の形状、すなわち、送風ファン６を内包するように設けられたダクト９の横断面とほぼ同様の形状であるものとする。
【００４１】
ここで、放熱用熱交換器５の前述の仮想の長方形の面に生じる風速分布の均一度合を示すディストーションインデックスＤＩについて説明する。前述の仮想の長方形の面に生じる気流の、最大風速をＶｍａｘ、最小風速をＶｍｉｎ、平均風速をＶａｖｅとすると、ディストーションインデックスＤＩは、ＤＩ＝（Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ）／Ｖａｖｅという式によって規定される。前述の式から分かるように、最大風速と最小風速との差が０であるとき、ディストーションインデックスＤＩ＝０となる。つまり、放熱用熱交換器５の仮想の長方形の面に生じる風速分布が均一であるほどディストーションインデックスＤＩの値は小さくなり、放熱用熱交換器５の前述の仮想の長方形の面における風速の偏りが少ない。
【００４２】
図４は、本発明の第１の実施形態の放熱用熱交換器５のディストーションインデックスＤＩと、放熱用熱交換器５を用いて一定の放熱量を得るために必要となる風量との関係を示している。図中の符号１００で示すデータは、本発明の第１の実施形態の放熱システムのデータであり、図中の符号２００で示すデータは、従来の放熱システムのデータである。ディストーションインデックスＤＩがほぼ０．５以下の場合には、所望の熱交換能力を得るための風量は２．３ｍ3／ｍｉｎである。一方、ディストーションインデックスＤＩがほぼ０．５よりも大きい場合には、所望の熱交換能力を得るための風量は、徐々に増加する。また、従来の放熱用熱交換器においては、ディストーションインデックスＤＩの値が１付近においては、約３．２ｍ3／ｍｉｎの風量、すなわち、本実施形態の風量の約１４０％の風量が必要である。
【００４３】
前述の図４に示すような結果が得られるのは次のような理由によるものと考えられる。
【００４４】
ディストーションインデックスＤＩがほぼ０．５以下である場合には、放熱用熱交換器５の近傍に比較的一様に気流が生じている。そのため、放熱用熱交換器５の伝熱フィンの単位面積あたりの放熱量が大きい。その結果、最低限の風量で所望の熱交換能力を得ることができる。一方、ディストーションインデックスＤＩがほぼ０．５よりも大きい場合には、風速の偏りによる悪影響が表れ始め、所望の熱交換能力を得るためにより多くの風量が必要となる。
【００４５】
なお、図４から、放熱用熱交換器５の仮想の長方形の面における最大風速、最小風速および平均風速を用いて計算されるディストーションインデックスＤＩ値が０．５以下の範囲では、風速は略一様であることが分かる。
【００４６】
図５は、本発明の第１の実施形態における放熱用熱交換器５の仮想の直方体の上面の風速分布を示している。また、表１は、本発明の第１の実施形態の放熱用熱交換器５のディストーションインデックスＤＩの値の計算値、および、従来の放熱用熱交換器５のディストーションインデックスＤＩの計算値を示している。
【００４７】
【表１】
2006138543.tif 000003
【００４８】
図５および表１から、本実施形態の放熱用熱交換器５の仮想の直方体の上面における風速分布は、送風ファン６のボス部の延長線上の位置に若干風速が小さい部分を有しているが、略一様であることが分かる。また、本実施形態のディストーションインデックスＤＩの値が０．３であることからも、放熱用熱交換器５の仮想の直方体の上面における風速分布はほぼ一様であることが分かる。
【００４９】
一方、本実施の形態の放熱用熱交換器５と比較される従来の放熱用熱交換器５においては、ディストーションインデックスＤＩの１．０であることから、放熱用熱交換器５の仮想の長方形の面における風速分布にばらつきが生じていることが分かる。したがって、前述の図５および表１から、放熱用熱交換器５の伝熱面全体に均一に気流を生じさせることによって単位面積あたりの熱交換効効率を向上させ、それにより、放熱用熱交換器５全体の放熱量を向上させることができることが分かる。
【００５０】
（第２の実施形態）
次に、本発明における第２の実施形態のスターリング冷凍システムを、図面を参照して説明する。
【００５１】
図６は、本発明の第２の実施形態のスターリング冷凍システムの送風ファン６の配置を示す模式図である。本実施形態の送風ファン６の構造は、図６に示すように、第１の実施形態と同様である。なお、図６中の矢印は、送風ファン６によって生じる気流の向きを示している。
【００５２】
一般に、放熱システム３における放熱用熱交換器５は、スターリング冷凍システム１の駆動時に周囲の外気よりも高温となる。そのため、送風ファン６が放熱用熱交換器５の上方に設置されている場合には、送風ファン６は放熱用熱交換器５からの自然対流による温度拡散の悪影響を直接受ける。そのため、本実施形態では、送風ファン６が放熱用熱交換器５の下方に設置されている。それにより、送風ファン６が放熱用熱交換器５から受ける熱的な影響を最小限にすることができる。その結果、放熱システム３の寿命をより長くすることができる。
【００５３】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態のスターリング冷凍システムを図面を参照して説明する。
【００５４】
図７は、本発明の第３の実施形態のスターリング冷凍機システムの放熱システム３を示す概略図である。なお、図中の送風ファン６の上下方向に延びる矢印は気流の向きを表す。本実施の形態のスターリング冷凍システムにおいては、図７に示す送風ファン６の構造以外の構造は、第１の実施形態と同様である。本実施形態においては、送風ファン６は、放熱用熱交換器５からスターリング冷凍機２へ気流が向かうように設置されている。つまり、送風ファン６は、実施の形態２と同様に、放熱用熱交換器５の下方に設置されているとともに、放熱用熱交換器５よりも送風ファン６によって生じる気流の下流側に設置されている。
【００５５】
本実施形態の放熱システム３によれば、放熱用熱交換器５を通過することによって整流された気流が送風ファン６に流入する。そのため、送風ファン６の翼面から気流が剥離することが抑制される。その結果、より低騒音な放熱システム３を得ることができる。
【００５６】
（第４の実施形態）
本発明の実施の形態の冷却庫を図面を参照して説明する。
【００５７】
図８は、本発明の第４の実施形態の放熱システム３が搭載された冷却庫７の概略的な構成を示す断面図である。図８に示すように、本実施形態の冷却庫７においては、その背面の近傍であって高さ方向の中央部の近傍に、スターリング冷凍機２が設置され、冷却庫７の背面の近傍であって高さ方向の下端部の近傍に、冷却システム１９を構成する冷却器１１１が設置され、さらに、冷却庫７の背面の近傍であって、高さ方向の中央部の近傍に、放熱システム３が設置されている。
【００５８】
そして、冷却器１１１は、冷却庫７の断熱壁１２の内側に設置され、放熱システム３およびスターリング冷凍機２は、冷却庫７の断熱壁１２の外側の空気ダクト内に設置されている。図中の矢印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびＥのそれぞれは、気流の向きを表している。
【００５９】
スターリング冷凍機２が起動すると、上述のようにウォームセクション１１で発生した温熱を受け取った高温側二次冷媒と外気とが放熱用熱交換器５を介して熱交換を行なう。このとき、送風ファン６の駆動によって、冷却庫７の周囲の外気が矢印Ａで示すように、放熱システム３内に取り込まれるとともに、矢印Ｂで示すように空気ダクト内の温かい空気が冷却庫７の周囲へ排出され、それによって、前述の熱交換が促進される。
【００６０】
本実施の形態においては、送風ファン６は、放熱用熱交換器５よりも気流の上流側に設けられている。したがって、放熱用熱交換器５が放出した熱によって生じる上昇気流を有効に利用して、放熱用熱交換器５における熱交換が促進されるため、送風ファン６の負担が軽減されている。
【００６１】
一方、スターリング冷凍機２のコールドセクション（低温側熱搬送サイクルの凝縮器）１３で発生した冷熱は、冷却器（低温側熱搬送サイクルの蒸発器）１１１によって、冷気ダクト１４内の空気へ伝達される。このとき、送風ファン６（図示しない）の回転によって、冷気ダクト１４内の冷気の一部が、矢印Ｅで示すように、冷凍室１５内に送り込まれるとともに、矢印Ｃで示すように、冷気の一部が冷蔵室１６内に送り込まれる。冷蔵室１６内に送り込まれた冷気は、矢印Ｄで示すように、野菜室１７内へ送り込まれる。さらに、野菜室１７内の冷気は、冷気ダクト１４の開口介して、再び冷却器１１１の付近へ送られる。なお、冷却器１１１の除霜によって生じたドレン水は、ドレンパンに向かって落下し、ドレンパン内で蒸発する。
【００６２】
前述のように、本実施の形態の放熱システム３によれば、ウォームセクション１１において発生した温熱は、冷媒によって放熱用交換器５へ搬送され、放熱用熱交換器５を介して、冷却庫７の外部に効率よく放出される。また、本実施形態の放熱システム３はコンパクトであるため、冷却庫７内の空間を放熱システム３が大きく占有してしまうことはない。さらに、ウォームセクション１１で発生した温熱の放出を十分に促進することができるため、コールドセクション１３において極低温の冷熱を効率よく発生させることができる。具体的に言うと、−５０℃以下の温度帯で貯蔵物を保存することが可能であり、冷凍および冷蔵の効率が高く、地球環境に与える悪影響が小さく、かつ騒音が小さい冷却庫を得ることができる。
【００６３】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれていることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】第１の実施形態のスターリング冷凍システムの放熱システムを説明するための概略図である。
【図２】第１実施形態のスターリング冷凍システムの送風ファンを設置する位置を説明するための概略図である。
【図３】第１の実施形態の放熱用熱交換器が設置される仮想の空間を説明するための模式図である。
【図４】第１の実施形態の放熱用熱交換器のディストーションインデックスＤＩと、放熱用熱交換器を用いて一定の放熱量を得るために必要となる風量との関係を示すグラフである。
【図５】第１の実施形態の放熱用熱交換器の仮想の直方体の上面の風速分布を示す図である。
【図６】第２の実施形態の送風ファンの配置を説明するための模式図である。
【図７】第３の実施形態のスターリング冷凍システムの放熱システムを示す概略図である。
【図８】第４の実施形態のスターリング冷凍システムの放熱システムが搭載された冷却庫の概略的な構成を示す断面図である。
【図９】従来の放熱システムを有するスターリング冷凍システムの概略図である。
【図１０】図９におけるＡ−Ａ断面の模式図である。
【図１１】従来の放熱システムの放熱用熱交換器の長方形の面の風速分布を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  スターリング冷凍システム、２  スターリング冷凍機、３  放熱システム、４  吸熱用熱交換器、５  放熱用熱交換器、６  送風ファン、７  冷却庫、８  循環用配管、９  ダクト、１０  開口部、１１  ウォームセクション、１２  断熱壁、１３  コールドセクション、１４  冷気ダクト、１５  冷凍室、１６  冷蔵室、１７  野菜室、１９  冷却システム、１１１  冷却器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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