(57)【要約】  【課題】  高温側凝縮器の冷却効率の向上を図ることができるとともに居室内の美観を損ねることを防止できるスターリング冷却庫を提供する。  【解決手段】  放熱ファン１６の駆動により空気通路１５から機械室４に取り入れられた空気は、スターリング機関１２の高温側に連結される高温側凝縮器１３と熱交換して放熱する。機械室４の後方には、高温側凝縮器１３に対向する開口部１４ａを有する仕切板１４で仕切られるとともに上面、側面及び背面を背面板１１で覆われた拡散室６が設けられる。背面板１１には多数の排気孔１１ａが形成され、開口部１４ａに対向する遮蔽部１１ｂが設けられる。高温側凝縮器１３と熱交換した空気は開口部１４ａから拡散室６に流入し、遮蔽部１１ｂに衝突して拡散した後に上面側、側面側及び背面側の排気孔１１ａから排気される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリング冷凍サイクルを運転するスターリング機関と、前記スターリング機関の低温側に連結して貯蔵室内の空気との熱交換により冷熱を放出する低温側蒸発器と、前記スターリング機関の高温側に連結して外気との熱交換により放熱する高温側凝縮器とを備えたスターリング冷却庫において、前記高温側凝縮器に対向する位置に開口部を有した仕切板により仕切られるとともに前記高温側凝縮器と熱交換した空気を拡散する拡散室を、前記高温側凝縮器と排気孔を有する外壁との間に設けたことを特徴とするスターリング冷却庫。
【請求項２】
前記外壁は前記開口部に対向する位置を遮蔽した遮蔽部を有することを特徴とする請求項１に記載のスターリング冷却庫。
【請求項３】
前記開口部に対向する拡散板を前記拡散室内に設けたことを特徴とする請求項１に記載のスターリング冷却庫。
【請求項４】
前記排気孔を前記拡散室の背面側及び側面側に設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のスターリング冷却庫。
【請求項５】
前記排気孔を前記拡散室の上面側に設けたことを特徴とする請求項４に記載のスターリング冷却庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング機関を備えたスターリング冷却庫に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷蔵庫や冷凍庫等の冷却庫は一般に冷媒の凝縮及び蒸発を利用した蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。しかし、蒸気圧縮式の冷凍サイクルの冷媒として用いられるフロンは、オゾン層破壊による環境への悪影響が指摘され、近年使用及び生産が規制されている。
【０００３】
このため、フロンを用いた蒸気圧縮式の冷凍サイクルに替えて、スターリング冷凍サイクルを運転するスターリング機関を用いたスターリング冷却庫が提案されている。スターリング冷凍サイクルは作動媒体としてヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等の不活性ガスを使用するため、環境への悪影響を防止することができる。
【０００４】
特許文献１には従来のスターリング機関が開示されている。スターリング機関は、圧縮空間を介してピストンとディスプレーサとが軸方向に並設される。圧縮空間にはウォームヘッドが連結され、圧縮空間と連通したディスプレーサの先端の膨張空間にはコールドヘッドが設けられる。ピストンとディスプレーサとが所定の位相差で往復運動すると、作動媒体が圧縮空間で圧縮されるととともに膨張空間で膨張される。
【０００５】
その結果、ウォームヘッドが高温側となって大気中に熱を放出し、放熱した作動冷媒は更に膨張されてコールドヘッドが低温側となる。コールドヘッドとの熱交換により空気を冷却することができる。
【０００６】
スターリング機関を用いたスターリング冷却庫はウォームヘッドに連結される高温側凝縮器と、コールドヘッドに連結される低温側蒸発器とを備えている。高温側凝縮器は冷媒を介してウォームヘッドの熱が導かれ、外気と熱交換して放熱する。高温側凝縮器と熱交換した空気はスターリング冷却庫の背面から排気される。低温側蒸発器は冷媒を介してコールドヘッドの冷熱が導かれ、貯蔵室内の空気と熱交換する。低温側蒸発器と熱交換した空気により貯蔵室内を冷却して貯蔵品の冷蔵や冷凍を行うことができる。
【特許文献１】特開２００２−３４９３４７号公報（第２頁−第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来のスターリング冷却庫によると、スターリング冷却庫を居室内の壁面に接近して設置した際に高温側凝縮器と熱交換後の空気が充分排気されず、排気が停留する場合がある。このため、高温側凝縮器の近傍が過昇温して充分な放熱が行われずスターリング冷却庫の冷却効率が低下する問題がある。また、居室内の壁面が過昇温されて壁面の変色や変形が生じ、居室内の美観を損ねる問題もある。
【０００８】
本発明は、高温側凝縮器の冷却効率の向上を図ることができるとともに居室内の美観を損ねることを防止できるスターリング冷却庫を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、スターリング冷凍サイクルを運転するスターリング機関と、前記スターリング機関の低温側に連結して貯蔵室内の空気との熱交換により冷熱を放出する低温側蒸発器と、前記スターリング機関の高温側に連結して外気との熱交換により放熱する高温側凝縮器とを備えたスターリング冷却庫において、前記高温側凝縮器に対向する位置に開口部を有した仕切板により仕切られるとともに前記高温側凝縮器と熱交換した空気を拡散する拡散室を、前記高温側凝縮器と排気孔を有する外壁との間に設けたことを特徴としている。
【００１０】
この構成によると、スターリング機関の低温側の冷熱はＣＯ2等の作動媒体を介して低温側蒸発器に伝達され、貯蔵室内の空気と熱交換して貯蔵室内が冷却される。高温側の熱はＨ2Ｏ等の作動媒体を介して高温側凝縮器に伝達され、スターリング冷却庫に取り込まれた外気との熱交換によって放熱される。高温側凝縮器と熱交換した空気は仕切板の開口部を介して拡散室に流入する。拡散室に流入した空気は拡散した後、外壁に設けられた排気孔から排気される。
【００１１】
開口部から拡散室に流入した空気が衝突して拡散する遮蔽部を外壁に設けるとよい。また、開口部から拡散室に流入した空気が衝突して拡散する拡散板を拡散室内に設けてもよい。排気孔は拡散室の背面側及び側面側に設けると拡散された空気が分散して排気される。更に、上方に貯蔵室等が配置されない場合は拡散室の上面側に排気孔を設けるとより望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、高温側凝縮器と対向する開口部を有する仕切板を隔てて高温側凝縮器と熱交換した空気を拡散する拡散室を設けたので、スターリング冷却庫を居室内の壁面に接近して設置しても拡散室が居室内の壁面との緩衝スペースとなって排気抵抗が低減される。従って、開口部から拡散室に流入する空気と高温側凝縮器との熱交換効率を向上できる。また、高温側凝縮器と熱交換後の空気が拡散室内で拡散して充分排気される。このため、高温側凝縮器の近傍の過昇温を防止してスターリング冷却庫の冷却効率を向上できる。更に、拡散室での拡散により分散して排気されるため居室内の壁面の過昇温による壁面の変色や変形を防止して居室内の美観を損ねることを防止することができる。
【００１３】
また本発明によると、外壁は開口部に対向する位置を遮蔽した遮蔽部を有するので空気を拡散させる拡散室を容易に実現することができる。
【００１４】
また本発明によると、開口部に対向する拡散板を設けたので空気を拡散させる拡散室を容易に実現することができる。
【００１５】
また本発明によると、排気孔を拡散室の背面側及び側面側に設けたので拡散室から容易に分散して排気することができる。
【００１６】
また本発明によると、排気孔を拡散室の上面側に設けたので拡散室から更に容易に分散して排気することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は一実施形態のスターリング冷却庫を示す側面断面図である。スターリング冷却庫１は断熱扉２ａにより開閉可能な冷凍室２が下部に設けられる。冷凍室２の上方には機械室４が配され、機械室４の後方に拡散室６が設けられる。機械室４の上面を覆う天板３と冷凍室２の上面との間には機械室４に連通する空気通路１５が形成されている。
【００１８】
機械室４にはスターリング機関１２、高温側凝縮器１３及び放熱ファン１６が配置される。高温側凝縮器１３はスターリング機関１２の高温側に連結される。スターリング機関１２の低温側には冷媒管９ａを介して低温側蒸発器９が連結され、冷凍室２の後部のダクト８内に配置されている。
【００１９】
図２はスターリング機関１２の構成を示す断面図である。スターリング機関１２は軸線が同一直線上に並ぶシリンダ７０、７１を備えている。シリンダ７０にはピストン７２が内嵌され、シリンダ７１にはディスプレーサ７３が内嵌されている。ピストン７２及びディスプレーサ７３は、ガスベアリングによってシリンダ７０、７１の内壁に接触することなく往復運動可能になっている。
【００２０】
ピストン７２の一端にはカップ状のマグネットホルダ７４が固定されている。ディスプレーサ７３は一端からディスプレーサ軸７５が突出する。ディスプレーサ軸７５はピストン７２及びマグネットホルダ７４を貫通して軸方向に自由にスライドできるようになっている。スターリング機関１２の運転中には、ディスプレーサ軸７５はピストン７２に接触することなく移動する。
【００２１】
シリンダ７０の外側にはリニアモータ２０が設けられる。リニアモータ２０は内側ヨーク２３、外側ヨーク２２、マグネット２４、エンドブラケット２５、２６及びスペーサ２７から成っている。内側ヨーク２３はピストン７２の動作領域のシリンダ７０外面に固定される。外側ヨーク２２は内側ヨーク２３に対峙して配置され、コイル２１が巻設される。
【００２２】
マグネット２３はマグネットホルダ７４に取付けられ、外側ヨーク２２及び内側ヨーク２３に接触しないようにこれらの間の環状空間に配置される。エンドブラケット２５、２６は合成樹脂から成り、外側ヨーク２２及び内側ヨーク２３を所定の径方向の位置関係に保持する。スペーサ２７はエンドブラケット２５、２６間を一定の距離に保持する。
【００２３】
マグネットホルダ７４のハブの部分にはスプリング３０の中心部が固定される。ディスプレーサ軸７５にはスプリング３１の中心部が固定される。スプリング３０、３１は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れて形成されている。スプリング３０、３１の外周部はエンドブラケット２６に固定されている。スプリング３０の外周部とスプリング３１の外周部との間にはスペーサ３２が設けられており、スプリング３０、３１が一定の距離に保持される。スプリング３０、３１によってピストン７２及びディスプレーサ７３が共振するようになっている。
【００２４】
シリンダ７１の両端の外側には、内部熱交換器４２、４３を介してリング状のウォームヘッド４０とキャップ状のコールドヘッド４１が設けられる。これにより、ウォームヘッド４０、シリンダ７０、７１、ピストン７２及び内部熱交換器４２で囲まれた圧縮空間４５が形成される。また、コールドヘッド４１、シリンダ７１、ディスプレーサ７３及び内部熱交換器４３で囲まれた膨張空間４６が形成される。
【００２５】
ウォームヘッド４０及びコールドヘッド４１は銅や銅合金等の熱伝導性の高い金属により構成されている。内部熱交換器４２、４３は通気性を有し、内部を通過するヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等の作動ガスの熱や冷熱をウォームヘッド４０またはコールドヘッド４１に伝える。
【００２６】
内部熱交換器４２、４３の間には再生器４７が配置される。再生器４７は通気性を有し、内部を作動ガスが流通する。再生器４７の外側は再生器チューブ４８により覆われる。再生器チューブ４８によってウォームヘッド４０とコールドヘッド４１の間に気密通路が構成される。
【００２７】
ウォームヘッド４０にはシリンダ７０及び圧力容器５０が連結されている。キャップ状の圧力容器５０はリニアモータ２０、シリンダ７０及びピストン７２を覆い、バウンス空間５１を形成する。
【００２８】
圧力容器５０には振動抑制装置６０が取り付けられる。振動抑制装置６０は、圧力容器５０に固定されるフレーム６１と、フレーム６１に支持されるマススプリング６２とを有している。マススプリング６２はマス（質量）６２ａとこれを支える板状のスプリング６２ｂから成っている。
【００２９】
上記構成のスターリング機関１２において、リニアモータ２０のコイル２１に交流電流を印加すると外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間に磁界が発生する。これにより、マグネット２４が軸方向に往復する。コイル２１にはピストン７２、マグネットホルダ７４、マグネット２４及びスプリング３０から成るピストン系の総質量と、スプリング３０のバネ定数とにより定まる共振周波数に一致した周波数の電力が供給される。これにより、ピストン系が滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。
【００３０】
また、ディスプレーサ７３、ディスプレーサ軸７５及びスプリング３１から成るディスプレーサ系の総質量と、スプリング３１のバネ定数とにより定まる共振周波数は、ピストン７２の駆動周波数に共振するよう設定される。
【００３１】
ピストン７２を往復運動させると、圧縮空間４５では圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴ってディスプレーサ７３も往復運動を行う。この時、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ７３とピストン７２との間には位相差が生じる。これにより、フリーピストン構造のディスプレーサ７３及びピストン７２は所定の位相差で同期振動する。
【００３２】
圧縮空間４５では等温圧縮変化に基いて作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間４６では等温膨脹変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。圧縮空間４５と膨張空間４６の間を往復する作動ガスは、内部熱交換器４２、４３を通過する際にウォームヘッド４０及びコールドヘッド４１に熱を伝える。圧縮空間４５から内部熱交換器４２へ流れ込む作動ガスは高温であるため、ウォームヘッド４０は加熱されて高温側となる。膨張空間４６から内部熱交換器４３へ流れ込む作動ガスは低温であるためコールドヘッド４１は冷却されて低温側となる。
【００３３】
尚、再生器４７は、圧縮空間４５と膨張空間４６の熱を相手側の空間には伝えず、作動ガスだけを通す働きをする。圧縮空間４５から内部熱交換器４２を経て再生器４７に入った高温の作動ガスは、再生器４７を通過するときにその熱を再生器４７に与え、温度が下がった状態で膨張空間４６に流入する。膨張空間４６から内部熱交換器４３を経て再生器４７に入った低温の作動ガスは、再生器４７を通過するときに再生器４７から熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間４５に流入する。即ち、再生器４７は蓄熱器として機能する。
【００３４】
図１において、高温側凝縮器１３はスターリング機関１２の高温側のウォームヘッド４０（図２参照）に連結され、スターリング機関１２の上方に配される。放熱ファン１６は高温側凝縮器１３の前面に面して配される。高温側凝縮器１３にはＨ2Ｏから成る作動媒体が流通し、ウォームヘッド４０の熱により気化したＨ2Ｏが上昇して高温側凝縮器１３に流入する。高温側凝縮器１３では放熱ファン１６の駆動によって矢印Ａで示すように開口部１５ａから空気通路１５を通って機械室４に取り入れられた外気と熱交換される。これにより、Ｈ2Ｏが凝縮して流下し、作動媒体が自然循環する。
【００３５】
図３は拡散室６の詳細を示す側面断面図である。機械室４と拡散室６との間には高温側凝縮器１３（図１参照）に対向する位置に開口部１４ａを有する仕切板１４が設けられる。これにより、放熱ファン１６（図１参照）によって機械室４から開口部１４ａに導かれる空気が高温側凝縮器１３と確実に接触して高温側凝縮器１３の熱交換効率を向上させるようになっている。
【００３６】
拡散室６は背面板１１（外壁）により上面、側面及び背面を覆われている。背面板１１によって開口部１４ａから露出する高温側凝縮器１３を遮蔽してスターリン冷却庫１の美観を向上している。背面板１１の上面、側面及び背面には多数の排気孔１１ａが形成されている。また、背面板１１は仕切板１４の開口部１４ａに対向する位置に排気孔１１ａが形成されず、遮蔽した遮蔽部１１ｂが形成されている。
【００３７】
高温側凝縮器１３と熱交換した空気は開口部１４ａを介して拡散室６に流入し、遮蔽部１１ｂに衝突して矢印Ｂに示すように拡散される。そして、背面板１１の上面、側面及び背面に形成された排気孔１１ａから分散して排気される。これによりスターリング機関１２の高温側の熱が放熱される。
【００３８】
低温側蒸発器９はスターリング機関１２の低温側のコールドヘッド４１（図２参照）に連結され、スターリング機関１２の下方のダクト８に配される。ダクト８内の低温側蒸発器９の上方には循環ファン１０が配される。ダクト８の前面は吐出口７ａ及び戻り口７ｂを有する仕切板７で覆われている。
【００３９】
低温側蒸発器９にはＣＯ2から成る作動媒体が流通し、コールドヘッド４１から熱を奪って凝縮したＣＯ2が流下して低温側蒸発器９に流入する。低温側蒸発器９では循環ファン１０の駆動によって戻り口７ｂを介してダクト８に取り入れられた冷凍室２内の空気と熱交換される。これにより、ＣＯ2が気化して上昇し、作動媒体が自然循環する。低温側蒸発器９と熱交換した空気は吐出口７ａから冷凍室２内に吐出され、冷凍室２内が例えば−５０℃の極低温に冷却される。
【００４０】
本実施形態によると、開口部１４ａから集中して流入する空気を遮蔽部１１ｂにより拡散する拡散室６を設けたので、スターリング冷却庫を居室内の壁面に接近して設置しても拡散室６が居室内の壁面との緩衝スペースとなって排気抵抗が低減される。従って、開口部１４ａから拡散室６に流入する空気と高温側凝縮器との熱交換効率を向上できる。また、高温側凝縮器１３と熱交換した空気が拡散室６で拡散した後に排気される。従って、充分な放熱効果を有し、スターリング冷却庫１の冷却効率を向上することができる。また、居室内の壁面の過昇温による変色や変形を防止して居室内の美観を向上することができる。
【００４１】
また排気孔１１ａを拡散室６の背面側、側面側及び上面側に設けたので拡散室６で拡散された空気が分散して排気される。尚、拡散室６の上方に貯蔵室等が配置される場合は拡散室６の上面側の排気孔１１ａを設けなくてもよい。
【００４２】
次に、第２実施形態について説明する。図４は本実施形態のスターリング冷却庫の拡散室を示す側面断面図である。説明の便宜上、前述の図１、図２に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は仕切板１４の開口部１４ａに対向する拡散板１７を拡散室６内に設けている。その他の部分は第１実施形態と同様である。
【００４３】
高温側凝縮器１３と熱交換した空気は開口部１４ａを介して拡散室６に流入し、拡散板１７に衝突して矢印Ｂに示すように拡散される。そして、背面板１１の上面、側面及び背面に形成された排気孔１１ａから分散して排気される。これによりスターリング機関１２の高温側の熱が放熱される。従って、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、本実施形態では拡散板１７の背後に排気孔１１ａを設けているが、第１実施形態と同様の遮蔽部１１ｂ（図３参照）を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明によると、高温側凝縮器に対向した開口部を有する仕切板と外壁（背面板）により覆われる拡散室を設けたので、高温側凝縮器と熱交換した空気が開口部から集中して拡散室に流入し、拡散した後に排気される。従って、居室内の壁面に接近して配置しても充分な放熱効果を有し、冷却効率を向上できるスターリング冷却庫を提供することができる。また、居室内の壁面の過昇温による変色や変形を防止して居室内の美観を向上させるスターリング冷却庫を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】は、本発明の第１実施形態のスターリング冷却庫を示す側面断面図である。
【図２】は、本発明の第１実施形態のスターリング冷却庫のスターリング機関を示す側面断面図である。
【図３】は、本発明の第１実施形態のスターリング冷却庫の拡散室を示す側面断面図である。
【図４】は、本発明の第２実施形態のスターリング冷却庫の拡散室を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１    スターリング冷却庫
２    冷却庫
４    機械室
６    拡散室
９    低温側蒸発器
１０    循環ファン
１１    背面板
１１ａ  排気孔
１１ｂ  遮蔽部
１２    スターリング機関
１３    高温側凝縮器
１５    空気通路
１６    放熱ファン
１７    拡散板
１９    載置台
２０    リニアモータ
４０    ウォームヘッド
４１    コールドヘッド
４２、４３  内部熱交換器
４５    圧縮空間
４６    膨張空間
４７    再生器
５０    圧力容器
７０、７１  シリンダ
７２    ピストン
７３    ディスプレーサ
【図１】
2005077048.tif 000003
【図２】
2005077048.tif 000004
【図３】
2005077048.tif 000005
【図４】
2005077048.tif 000006