(57)【要約】  本発明は、一方にてスターリング冷却器２の低温面５と内部媒質との間の伝熱及び他方にて、スターリング冷却器２の高温面６と熱エネルギが排出される外部媒質との間の伝熱を何ら追加的なファンシステムを使用せずに、保証すべく熱交換器７が使用されるスターリングサイクル型冷却装置１に関するものである。
2007512497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に保持されたガスが膨張する間、外部からの熱エネルギの吸収を保証する低温面（５）及び、内部に保持されたガスが凝縮する間、システムの外部からの熱エネルギの追い出しを保証する高温面（６）を保持するスターリング冷却器（２）と、内部媒質内に存在する熱エネルギを吸収し且つ、循環する冷却流体を保持する蒸発器（３）と、内部にて吸収された熱エネルギを外部媒質に伝達することを保証し且つ、循環する冷却流体を保持する凝縮器（４）とを備える冷却装置（１）において、蒸発器（３）及び／又は凝縮器（４）から来る管の部分は、冷却流体が拡がり且つ、伝熱面を増大させるよう変更され、冷却流体を１つ以上の流路に分配することにより、該伝熱面を亙って伝熱が実現される、１つ又はより多数の熱交換器（７）を備えることを特徴とする、冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却装置（１）において、スターリング冷却器（２）の低温面（５）又は高温面（６）との直接接触を保証し得るよう半円形の形状とされた接触面（８）と、接触面（８）の両側部にて接触し、平坦な位置を得ることを保証する、曲げることにより得られた２つの接続面（９）と、循環する冷却流体による伝熱を保証する１つ又はより多数の流路（１０）とを有する流れ管（１１）を備える熱交換器（７）を特徴とする、冷却装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の冷却装置（１）において、重ね合わせた流れ管（１１）の先端により形成された部分を蒸発器（３）又は凝縮器（４）から来る管と連結する１つ又はより多数の接続要素（１２）を保持する熱交換器（７）を特徴とする、冷却装置。
【請求項４】
請求項３に記載の冷却装置（１）において、２つ以上の蒸発器（３）が使用される場合、１つ以上のアクセス路（入口／出口）を有する接続要素（１２）を組み込む熱交換器（７）を特徴とする、冷却装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の冷却装置（１）において、低温面（５）又は高温面（６）を完全に包み込み得るように組み合わさった２つ以上の流れ管（１１）を重ね合わせることにより得られた熱交換器（７）を特徴とする、冷却装置。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の冷却装置（１）において、低温面（５）にしっかりと取り付けられ、凝縮効果を有する熱交換器（７）であって、蒸発器（３）から到達する気体状態の冷却流体を凝縮し且つ、この流体から得られた熱を低温面に伝達する前記熱交換器（７）を特徴とする、冷却装置。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の冷却装置（１）において、高温面（６）にしっかりと取り付けられ、蒸発効果を有する熱交換器（７）であって、凝縮器（４）から到達する液体状態の冷却流体を蒸発させることにより高温面（６）にて発生された熱を伝達する前記熱交換器（７）を特徴とする、冷却装置。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか１つに記載の冷却装置（１）において、スターリング冷却器（２）の低温面（５）に取り付けられたフィン付き熱交換器（１３）と、該フィン付き熱交換器（１３）に送風するファン（１４）と、空気の流れを導く空気路（１５）とを特徴とする、冷却装置。
【請求項９】
請求項１ないし８の何れか１つに記載の冷却装置（１）において、スターリング冷却器（２）の高温面（６）に取り付けられたフィン付き熱交換器（１３）を特徴とする、冷却装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９の何れか１つに記載の冷却装置（１）において、低温面（５）に配置された熱交換器（７）が絶縁材料（１６）により被覆されるスターリング冷却器（２）を特徴とする、冷却装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０の何れか１つに記載の冷却装置（１）において、本体（２０）内に配置された高温面（６）が絶縁材料（１６）により被覆されるスターリング冷却器（２）を特徴とする、冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリングサイクル型冷却器と共に作動する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
幾つかの冷却用途において、圧縮機を使用するシステムのものに近い冷却効率係数を有する無ピストンスターリング冷却器が好まれる。スターリング冷却器は、外部媒質からの熱エネルギの吸収を保証する低温面と、リニアエンジンにより往復運動されるピストンにより発生された圧縮力により熱エネルギの排出を保証する高温面とを特徴とする。低温面は、熱サイフォンシステムによって冷却器内部の熱を吸収する一方、高温面は、別の熱サイフォンシステムにより、吸収されたエネルギを冷却器から外に排出する。熱交換器は、スターリング冷却器の低温側及び高温側の小さい表面積に設置される一方、これらの熱交換器が必要とされる熱量を伝達するため、実際には大きい面積が必要とされ、このため、熱交換器に対する理想的な表面積とこの目的のために利用可能な実際の面積との間に不一致が生ずることがある。この不一致を是正するため、すなわち熱交換器の機能を向上させるため、冷却器内部のエネルギは、ファン強制による熱流によって外部に伝達され、その結果、エネルギ消費量及びコストが増大する。
【０００３】
米国特許出願第２００２―０１３４８８号明細書において、凝縮器及び蒸発器端部を有する熱サイフォン装置を備えるスターリング冷却器により作動される冷却システムが記載されており、これらの端部間の接続は、１つの大径の管と、１つの小径の管とにより実現される。
【０００４】
日本国特許出願第２００３―０７５０００号明細書において、スターリング冷却器に取り付けられて、その低温面を通じて熱エネルギを吸収し、流動する冷却流体をその本体の中空領域内に封じ込める熱交換器及び冷却ファンが記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、追加的なファン装置を使用せずに、スターリング冷却器の低温面と、装置の内部媒質と、スターリング冷却器の高温面と、エネルギが追い出される外部媒質との間にて熱交換が行われる冷却装置を実現することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の目的を実現するため具体化された冷却装置は、添付図面に示されている。
冷凍機、深冷凍機、飲料容器等のような冷却装置（１）は、本体（２０）と、冷却作用を実現するスターリング冷却器（２）と、自由に流動するか又はポンプにより作動される冷却流体を循環させて冷却装置（１）の内部媒質内に存在する熱エネルギを吸収する蒸発器（３）と、自由に流動するか又は又はポンプにより作動される冷却流体を保持し、熱を冷却装置（１）の外部に排出する凝縮器（４）とを収容している。
【０００７】
スターリング冷却器（２）は、本体（２０）内に配置されることが好ましく、低温側にて保持されたガスが膨張する間、外部からの熱エネルギの吸収を保証する低温面（５）と、本体（２０）の外部に配置されることが好ましく、その内部に保持されたガスを圧縮する間、熱エネルギの排出を保証する高温面（６）とを備えている。
【０００８】
スターリング冷却器（２）を使用する冷却装置（１）は、凝縮効果を有していて低温面（５）にしっかりと取り付けられ、蒸発器（３）内にて発生された熱を、冷却流体を凝縮することにより低温面（５）に伝達する、熱交換器（７）及び（又は）蒸発効果を有していて高温面（６）にしっかりと取り付けられ、内部を冷却流体が流れ且つ、凝縮器（４）から来る冷却流体を蒸発させることにより、高温面（６）にて発生された熱を伝達する、熱交換器（７）を備えている。
【０００９】
熱交換器（７）は、冷却流体が流れる１つ又はより多数の流れ管（１１）と、流れ管（１１）により形成された部分を蒸発器（３）又は凝縮器（４）から来る管と連結し得る設計とされた１つ又は幾つかの接続要素（１２）とを保持している。熱交換器（７）は、低温面（５）又は高温面（６）を完全に封入するように組み合わされた流れ管（１１）を重ね合わせることにより、形成されることが好ましい。接続要素（１２）は、単一の入口及び単一の出口を備えるか、又は、１つ以上の蒸発器が使用されるならば、３ウェイ又は４ウェイの配置とすることができる。
【００１０】
蒸発器（３）及び(又は)凝縮器（４）から来る管が接続要素（１２）によって熱交換器（７）に接続される場合、冷却流体が流れる部分は、変更されて、好ましくは、増大させ、流れが拡がるのを保証し、これにより冷却流体が幾つかの流路にて再分配され、これにより全体的な流れ面積、及び実際の熱交換が生ずる接触面を増大させる。
【００１１】
流れ管（１１）は、スターリング冷却器（２）の低温面（５）又は高温面（６）と接触し得るよう半円形の形状とされた接触面（８）と、曲げることにより平坦化されて接触面（８）の両側部に配置され、他の流れ管（１１）との接続を保証する２つの接続面（９）と、全体的な熱交換面を増大させる設計とされた１つ又はより多くの流路（１０）とを備えている。
【００１２】
好ましい適用例において、流れ管（１１）は、例えば、１ｍｍ×１ｍｍの間隔の狭い流路（１０）を形成し得るようにアルミニウム系材料にて押出し成形されることが好ましい。焼鈍アルミニウムが、所望の断面に対し１０ないし２０の流路（１０）を生成させる鋳型に対して押し付けられ、鋳型から出るとき、流れ管（１１）に変形される。次に、熱交換器（７）の一部として使用される流れ管（１１）は、所望の長さに切断することができる。更に、使用される材料の柔軟性のため、流れ管は、容易に形状をとることができる。
【００１３】
スターリング冷却器の（２）の低温面（５）に配置され、凝縮器として作用する、熱交換器（７）を通じて凝縮により液体状態を取得する冷却流体は、次に、蒸発器（３）に導かれる。冷却装置（１）の蒸発器（３）の巡回路を通って流れる冷却流体は、キャビン内の熱負荷を吸収し且つ、蒸気に変換され、もう１回、熱交換器（７）に到達し、これによりサイクルを完了させる。
【００１４】
スターリング冷却器（２）の高温面（６）に配置されて、蒸発器として作用する熱交換器（７）を通る間、蒸発し且つ気体状態に変化する冷却流体は、次に、凝縮器（４）に導かれる。凝縮器（４）の巡回路を通って流れる冷却流体は、該流体が運んだ熱を外部媒質に伝達し、再度、熱交換器（７）に到達し、これによりサイクルを完了する。
【００１５】
凝縮器（４）内にて凝縮する冷却流体は、凝縮器（４）から出るとき、小径の管内に蓄積し且つ、柱状の液体を形成し、柱状の液体により発生された差圧のため、システム内にて循環が開始される。システム内の流量は、最初に増大し、その後、管圧の降下程度は柱状の液体により発生された静圧差に等しくなり、流れに起因する摩擦損失が柱状の液体の圧力エネルギに等しくなるとき、流量出力は一定となる。蒸発器（３）内にて循環する冷却液体は、冷却装置（１）の内部から熱エネルギを吸収することにより、蒸発し始める。蒸発器（３）の垂直方向の循環路にて、冷却流体は気体状の状態にあると考えられる。低温側の入口に配置された熱交換器（７）に到達する冷却流体は流路（１０）に分配される。単一の流路（１０）の流れ面積は蒸発器（３）の流れ面積よりも遥かに小さいが、組み合わさった流路（１０）を通る全流量出力は、蒸発器（３）からの流量に等しい。流量出力を流路（１０）に分配すると、流れの速度は低下し、この速度低下は、流れ面積（断面）の減少に関係した速度の増大よりも有効であるため、圧力損失は著しく増大せず、循環は続く。
【００１６】
本発明の別の適用例において、冷却装置（１）は、スターリング冷却器（２）の高温面（６）に取り付けられた熱交換器（７）とは別に、スターリング冷却器（２）の低温面（５）に取り付けられたフィン付き熱交換器（１３）と、送風ファン（１４）と、空気の流れを導く空気路（１５）とを備えている。この適用例において、冷却装置（１）の内部（キャビン）内に存在する熱エネルギは、ファン（１４）及びフィン付き熱交換器（１３）による強制的な流れにより伝達される一方、高温面（６）における熱エネルギは、最初に、凝縮器（４）に、次に、熱交換器（７）を通じて外部媒質に伝達される。
【００１７】
本発明の別の適用例において、熱交換器は、スターリング冷却器（２）の低温面（５）に取り付けられ、フィン付き熱交換器（１３）は、スターリング冷却器（２）の高温面（６）に取り付けられる。この適用例において、高温面（６）にて発生された熱は、ファン（１４）及びフィン付き熱交換器（１３）による強制的な流れにより伝達される一方、低温面（５）は蒸発器（７）により熱エネルギを吸収する。
【００１８】
本発明の更に別の適用例において、低温面（５）に配置された熱交換器（７）又は高温面（６）に配置された熱交換器（７）或いはその双方の熱交換器は、絶縁材料（１６）により被覆されている。高温面（６）に配置された熱交換器（７）が本体（２０）の外部にあるならば、該熱交換器は、絶縁材料（１６）により被覆されないことが好ましい一方、熱交換器が本体（２０）の内部に配置されるならば、熱交換器は絶縁材料（１６）により被覆されることが好ましい。このため、熱交換器（７）の外面は、周囲の媒体から隔離されており、これにより流れ管（１１）内を循環する冷却流体によりスターリング冷却器（２）の低温面（５）と高温面（６）との間の伝熱過程の効率が増大する。
【００１９】
熱交換器（７）内に収容された流れ管（１１）の構造体とスターリング冷却器（２）の低温面及び高温面（５、６）との間の直接的な接触の結果、より効率的な冷却作用が実現される。冷却装置（１）内の空気と蒸発器（３）内を循環する冷却流体との間又は外部空気と凝縮器（４）内を循環する冷却流体との間の伝熱は低い温度差にて実現されるため、エネルギ消費量は減少する一方、冷却装置（１）の冷却性能は向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】冷却装置の斜視図である。
【図２】流れ管の斜視図である。
【図３】熱交換器の分解図である。
【図４】熱交換器の斜視図である。
【図５】熱交換器の正面図である。
【図６】スターリング冷却器の概略図である。
【図７】熱交換器が低温面及び高温面の双方に取り付けられたスターリング冷却器の斜視図である。
【図８】その高温面に取り付けられたフィン付き熱交換器を有するスターリング冷却器の概略図である。
【図９】その低温面に取り付けられたフィン付き熱交換器を有するスターリング冷却器の概略図である。
【図１０】その低温面が絶縁材料により被覆されたスターリング冷却器の概略図である。
【図１１】その高温面が絶縁材料により被覆されたスターリング冷却器の概略図である。
【図１２】その低温面及び高温面の双方が絶縁材料により被覆されたスターリング冷却器の概略図である。
【図１３】熱交換器と蒸発器との間の接続部の概略図である。
【図１４】熱交換器と平行に接続された２つの蒸発器の概略図である。
【符号の説明】
【００２１】
１    冷却装置                          ２    スターリング冷却器
３    蒸発器                            ４    凝縮器
５    低温面                            ６    高温面
７    熱交換器                          ８    接触面
９    接続面                            １０    流路
１１    流れ管                          １２    接続要素
１３    フィン付き熱交換器              １４    ファン
１５    空気流路                        １６    絶縁材料
２０    本体
【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】
2007512497.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2007512497.tif 000015
【図１４】
2007512497.tif 000016
【国際調査報告】
2007512497.tif 000017
2007512497.tif 000018
2007512497.tif 000019