(57)【要約】  【課題】  省スペース（スターリング冷凍機と高温側凝縮器の省スペース配置構造）でもって低騒音、低消費電力を可能とした冷却装置を提供する。    【解決手段】  スターリング冷凍機１の低温部３にて発生する冷熱を取り出す低温側冷熱搬送サイクル５と、スターリング冷凍機１の高温部２にて発生する温熱を外部に放出する高温側熱搬送サイクル４とを備えた冷却装置１００において、  前記高温側熱搬送サイクル４は、スターリング冷凍機１の高温部２に取り付けられた高温側蒸発器６と、該高温側蒸発器６よりも高い位置に配置された第１，第２高温側凝縮器８１，８２とを備え、前記高温側蒸発器６と前記第１，第２高温側凝縮器８１，８２のそれぞれとの間を蒸気側冷媒配管７及び凝縮液側冷媒配管１１１，１１２で接続して冷媒循環回路を形成したものであり、  前記第１，第２高温側凝縮器８１，８２を前記スターリング冷凍機１の軸方向に並設し、前記スターリング冷凍機１の低温部３上方に第２高温側凝縮器８２を配置したことを特徴とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリング冷凍機の低温部にて発生する冷熱を取り出す低温側冷熱搬送サイクルと、スターリング冷凍機の高温部にて発生する温熱を外部に放出する高温側熱搬送サイクルとを備えた冷却装置において、
前記高温側熱搬送サイクルは、スターリング冷凍機の高温部に取り付けられた高温側蒸発器と、該高温側蒸発器よりも高い位置に配置された複数の高温側凝縮器とを備え、前記高温側蒸発器と前記複数の高温側凝縮器のそれぞれとの間を蒸気側冷媒配管及び凝縮液側冷媒配管で接続して冷媒循環回路を形成したものであり、
前記複数の高温側凝縮器を前記スターリング冷凍機の軸方向に並設し、前記スターリング冷凍機の低温部上方にも高温側凝縮器を配設したことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記複数の高温側凝縮器を蒸気側冷媒配管の共通の横管に接続したことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記スターリング冷凍機の低温部側に同軸に設けられた断熱材と、反対側に同軸に設けられた防振装置とを備えたスターリング冷凍機の上方スペースに、前記防振装置、前記スターリング冷凍機及び前記断熱材が占有するスペースの軸方向寸法内に収まるよう、前記複数の高温側凝縮器を配設したことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング冷凍機を備えた冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１等に記載された従来のスターリング冷凍機を備えた冷却装置について説明する。図６は、従来の冷却装置の概略構成を示す側面図である。この冷却装置１００は、スターリング冷凍機１にて発生する冷熱を取り出す低温側冷熱搬送サイクル５及び温熱を外部に放出する高温側熱搬送サイクル４を備えたものである。スターリング冷凍機１は、シリンダ１０の内部に封入された作動媒体（例えばヘリウム）の膨張過程で吸熱して冷熱を発生する低温部３と、作動媒体の膨張過程で温熱を発生する高温部２とを有する。スターリング冷凍機１の背面には、板バネを使用した防振装置２４が同軸に配設される。
【０００３】
低温側冷熱搬送サイクル５は、概略的には、低温部３の周囲に接触して取り付けられた低温側凝縮器１２と、凝縮液側冷媒配管１３及び蒸気側冷媒配管１４により前記低温側凝縮器１２と繋がれた低温側蒸発器１５とから構成された循環回路である。この回路内には二酸化炭素や炭化水素等が冷媒として封入され循環回路内でサーモサイフォンを形成する。低温側蒸発器１５には、熱交換面積を拡大するための複数の平板フィン１６が取り付けられている。また、冷媒の蒸発と凝縮による自然循環が利用できるように、低温側蒸発器１５を低温側凝縮器１２より低い位置に設置している。そして、低温側蒸発器１５の下方にはドレン皿１７が設けられており、低温側蒸発器１５の表面で結露して落下するドレン水を受けて貯留するようにしている。また、高温部２から発生する温熱との断熱を図るため、低温側凝縮器１２及びシリンダ１０の周囲には、断熱材２２が取り付けられている。
【０００４】
一方、高温側熱搬送サイクル４は、水や炭化水素等の自然冷媒を用いたサーモサイフォンから成り、概略的には、スターリング冷凍機１の高温部２に取り付けられた高温側蒸発器６と、高温側蒸発器６より高い位置に配置され自然冷媒を凝縮する高温側凝縮器８と、高温側蒸発器６と高温側凝縮器８とを連結して冷媒を循環させる蒸気側冷媒配管７と凝縮液側冷媒配管１１とから構成された循環回路である。この回路内には水（水溶液を含む）や炭化水素等の自然冷媒が冷媒として封入されている。このように、水（水溶液を含む）や炭化水素を冷媒として使うことによって、環境や人体への悪影響をなくすことができる。なお、冷媒の蒸発と凝縮による自然循環を円滑にするため、凝縮液側冷媒配管１１を高温側蒸発器６の最上端に連結している。高温側凝縮器８には、熱交換面積を拡大するために複数の平板フィン１８が取り付けられている。そして、高温側凝縮器８の後方には放熱ファン１９が設けられており、放熱ファン１９により熱を外部に排出している。
【０００５】
図７は、従来の冷却装置における高温側熱搬送サイクルの具体的な構造を示す斜視図であり、図８は、同高温側熱搬送サイクルの正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。これらの図において、従来の高温側熱搬送サイクルと同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。この図を参照して高温側熱搬送サイクル４の構成を更に詳細に説明する。
【０００６】
高温側蒸発器６は全体として環体をなすが、スターリング冷凍機１の高温部２への取り付けの利便性を考慮して、２つの半環体６Ａ，６Ｂを直径方向で合体する構造が採用されている。各半環体６Ａ，６Ｂの円弧の両端に相当する面は、閉塞されている。半環体６Ａ，６Ｂは、高温部２の周囲に対して鉛直方向の上下で合体され、双方の下端部でＵ字状の連通管６Ｃにより連通接続される。半環体６Ａ，６Ｂ内部の冷媒凝縮液は、連通管６Ｃを介して互いに行き来し、混合される。
【０００７】
蒸気側冷媒配管７は、高温側蒸発器６の各半環体６Ａ，６Ｂに接続される２本の縦管７Ａ，７Ｂと、双方の縦管７Ａ，７Ｂに接続される横管７Ｃ（「ヘッダー管」ともいう。）とから構成されている。縦管７Ａ，７Ｂは、各半環体６Ａ，６Ｂの外周面上端部と、横管７Ｃの最下部とを鉛直方向に連結している。横管７Ｃは、長手方向の両端面が閉塞され、スターリング冷凍機１の軸に直交する方向、かつ、水平方向に配置される。
【０００８】
凝縮液側冷媒配管１１も、蒸気側冷媒配管７と同様の構成であるが、サーモサイフォンを構成するべく、蒸気側冷媒配管７の横管７Ｃは、凝縮液側冷媒配管１１の横管１１Ｃよりも高い位置に配置され、さらにそのサーモサイフォンを効率良く働かせるため、縦管、横管ともに、凝縮液側冷媒配管１１よりも蒸気側冷媒配管７の方が相対的に大口径の管が使用されている。縦管１１Ａ，１１Ｂには、下り勾配を有する傾斜部１１Ａａ，１１Ｂａ（図８（ａ）参照）を備えた曲げ管を使用している。これにより、冷却装置１００（図６参照）が多少傾いても、横管１１Ｃの端部のいずれかが横管１１Ｃ全体で最も低くなるため、入口が低い方の縦管を伝って流れ落ち、横管１１Ｃ内に冷媒凝縮液が溜まることがない。
【０００９】
高温側凝縮器８は、横管７Ｃ，１１Ｃの長手方向、すなわち水平方向に平行配置された６本の蛇管８Ａ〜８Ｆで構成されている。各蛇管８Ａ〜８Ｆの一端は横管７Ｃに接続されるとともに、他端は横管１１Ｃに接続されていて、蛇管全体で双方の横管７Ｃ，１１Ｃ間をその長手方向で均等に連結している。また、複数の平板フィン１８は、蛇管８Ａ〜８Ｆの直線部分に平行に配設されており、その直線部分と熱的に結合されている。このように構成された高温側凝縮器８は、スターリング冷凍機１の上方スペースにおいて、防振装置２４の自由端から外には出っ張らないように、スターリング冷凍機１の軸に対して平行に設けられる。
【００１０】
次に、高温側熱搬送サイクル４の動作について説明する。スターリング冷凍機１を運転するとともに、放熱ファン１９を駆動することにより、スターリンリグ冷凍機１の高温部２に発生した熱は、高温部２の周囲から高温側蒸発器６に伝達され、その半環体６Ａ，６Ｂ内に溜まっている冷媒を蒸発させる。蒸発した冷媒蒸気は、それぞれ蒸気側冷媒配管７の縦管７Ａ、７Ｂ内を上昇して、横管７Ｃ内で合流した後、６つの蛇管８Ａ〜８Ｆへ分岐して流れる。これにより、冷媒蒸気は、高温側蒸発器６より高い位置に設置された高温側凝縮器８内を流通し、平板フィン１８を介して環境雰囲気と熱交換してほとんど凝縮され、冷媒凝縮液となる。
【００１１】
その冷媒凝縮液（又は、気体を混合した冷媒凝縮液）は、凝縮液側冷媒配管１１の横管１１Ｃ内で合流し、さらに縦管１１Ａ，１１Ｂへ分岐して流下し、高温側蒸発器６に戻され、再び高温部２の熱により蒸発される。このように、冷媒の蒸発・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はるかに大きい熱伝達量が得られるため、熱交換効率が大幅に高められる。さらに、上記のように、本発明では、高温側凝縮器８と高温側蒸発器６との上下配置における高度差と、気体と液体の比重差とによる圧力差によって、冷媒を循環させる駆動力が得られる。従って、ポンプなどの外部動力なしで冷媒を循環させることができるため、省エネが可能となる。
【特許文献１】特開２００３−５００７３号公報
【特許文献２】特開２００３−３０２１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、スターリング冷凍機１の最大出力運転時などは、凝縮器能力を引き上げるため、放熱ファン１９の回転数を上げ、平板フィン１８へ送風する空気流量を多くする必要がある。しかし、放熱ファン１９の回転数を上げると、騒音が大きくなるだけでなく、消費電力が増し、運転コストが跳ね上がるという問題があった。
【００１３】
本発明は、省スペース（スターリング冷凍機と高温側凝縮器の省スペース配置構造）でもって低騒音、低消費電力を可能とした冷却装置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】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明は、スターリング冷凍機の低温部にて発生する冷熱を取り出す低温側冷熱搬送サイクルと、スターリング冷凍機の高温部にて発生する温熱を外部に放出する高温側熱搬送サイクルとを備えた冷却装置において、
前記高温側熱搬送サイクルは、スターリング冷凍機の高温部に取り付けられた高温側蒸発器と、該高温側蒸発器よりも高い位置に配置された複数の高温側凝縮器とを備え、前記高温側蒸発器と前記複数の高温側凝縮器のそれぞれとの間を蒸気側冷媒配管及び凝縮液側冷媒配管で接続して冷媒循環回路を形成したものであり、
前記複数の高温側凝縮器を前記スターリング冷凍機の軸方向に並設し、前記スターリング冷凍機の低温部上方にも高温側凝縮器を配設したことを特徴とするものである。
【００１５】
この構成によると、スターリング冷凍機と高温側凝縮器とをコンパクトに組品化できるので高温側熱搬送サイクルの省スペースが図れ、前記スターリング冷凍機の低温部上方のデッドスペースと思われるスペースにも高温側凝縮器の一部を配設するので凝縮能力アップが図れ、放熱ファンの回転数を下げることにより、低騒音化、低消費電力化が測れる。
【００１６】
また、前記複数の高温側凝縮器を蒸気側冷媒配管の共通の横管に接続したことを特徴とする。この構成によると、蒸気側冷媒配管の横管を共通化することによる構造の簡素化、コンパクト化が測れ、コストダウンも図れる。
【００１７】
更に、前記スターリング冷凍機の低温部側に同軸に設けられた断熱材と、反対側に同軸に設けられた防振装置とを備えたスターリング冷凍機の上方に、前記防振装置、前記スターリング冷凍機及び前記断熱材が占有するスペースの軸方向寸法内に収まるよう、前記複数の高温側凝縮器を前記スターリング冷凍機の軸方向に並設したことを特徴とする。これによると、高温側熱搬送サイクルをコンパクトに構築することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の冷却装置によると、スターリング冷凍機の運転出力によって、複数の放熱ファンの駆動・停止を個別に制御することによって必要な凝縮器能力を得ることができるため、従来よりもはるかに低消費電力かつ低騒音の冷却装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の冷却装置における高温側熱搬送サイクルの具体的な構造を示す斜視図であり、図２は、同高温側熱搬送サイクルの正面図（ａ）及び側面図（ｂ）であり、図３は、同高温側熱搬送サイクルの背面図である。これらの図において、従来の冷却装置と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２０】
図１、図２及び図３に示すように、高温側熱搬送サイクル４は、共通の高温側蒸発器６を含む２つの冷媒循環路、すなわち、従来の高温側凝縮器８（図７、図８参照）と同様の位置に配置された第１高温側凝縮器８１及び第１凝縮液側冷媒配管１１１を備える第１高温側熱搬送サイクル４１（図２（ｂ）中の破線で囲まれた部分）と、蒸気側冷媒配管７に対して第１高温側凝縮器８１及び第１凝縮液側冷媒配管１１１と向かい合わせに直列に配置された第２高温側凝縮器８２及び第２凝縮液側冷媒配管１１２を備える第２高温側熱搬送サイクル４２（図２（ｂ）中の一点鎖線で囲まれた部分）とから構成されている。両サイクル４１，４２は、蒸気側冷媒配管７、すなわち縦管７Ａ，７Ｂ及び横管７Ｃを共有しており、共通の横管７Ｃの水平方向の一側には、第１高温側凝縮器８１の６本の蛇管８１Ａ〜８１Ｆが接続され、反対側には第２高温側凝縮器８２の６本の蛇管８２Ａ〜８２Ｆが接続されている。
【００２１】
複数の平板フィン１８は、スターリング冷凍機１の軸方向に並設された第１，第２高温側凝縮器８１，８２の蛇管８１Ａ〜８１Ｆ，８２Ａ〜８２Ｆの直線部分に平行に配設されており、その直線部分と熱的に結合されている。この結果、全平板フィン１８は、第１，第２高温側凝縮器８１，８２の全体を通して一列に配置される。そして、その平板フィン１８の列に対して同じ側に、第１高温側凝縮器８１，８２に対応して第１，第２放熱ファン１９１，１９２をそれぞれ設けることにより、各放熱ファン１９１，１９２の気流同士がショートカットするのを防止している。
【００２２】
第１高温側凝縮器８１の蛇管８１Ａ〜８１Ｆは、従来の高温側凝縮器８の蛇管８Ａ〜８Ｆ（図７、図８参照）と長さも形状も同一のものが使用されるが、第２高温側凝縮器８２の蛇管８２Ａ〜８２Ｆは、第１高温側凝縮器８１の蛇管８１Ａ〜８１Ｆよりも直線部分の長さが短く、図２（ｂ）に示すように、スターリング冷凍機１の低温部３上方に配置され、スターリング冷凍機１の先端側に設けられた断熱材２２の長さ寸法と同程度のものが使用されている。したがって、スターリング冷凍機１の上方スペースにおいて、防振装置２４、スターリング冷凍機１及び断熱材２２が占有するスペースの防振装置２４の自由端から断熱材２２の先端までの軸方向寸法内に収まるように、両高温側凝縮器８１，８２をコンパクトに配設できる。これにより、コンパクトな高温側熱搬送サイクル４を構築できる。
【００２３】
次に、高温側熱搬送サイクル４の動作について説明する。図４は、上記冷却装置の概略ブロック図であり、図５は、同冷却装置の高温側熱搬送サイクル駆動制御の説明図である。図４に示すように、制御部２３は、スターリング冷凍機１の運転出力に基づき、第１放熱ファン１９１又は第２放熱ファン１９２の駆動・停止を個別に制御するように構成されている。
【００２４】
換言すれば、状況に応じて凝縮器能力の切換えが可能となる。すなわち、図５に示すように、第１，第２放熱ファン１９１，１９２を双方駆動（オン）することにより、第１，第２高温側熱搬送サイクル４１，４２を共に稼働させることができ、最大の凝縮器能力が得られる。また、第２放熱ファン１９２は停止（オフ）させ、第１放熱ファン１９１のみを駆動（オン）することにより、第２高温側熱搬送サイクル４２を停止させたまま第１高温側熱搬送サイクル４１のみを稼働させることができ、中程度の凝縮器能力が得られる。その逆に、第１放熱ファン１９１は停止（オフ）させ、第２放熱ファン１９２のみを駆動（オン）することにより、第１高温側熱搬送サイクル４１を停止させたまま第２高温側熱搬送サイクル４２のみを稼働させることができ、小さめの凝縮器能力が得られる。第１，第２放熱ファン１９１，１９２を双方停止（オフ）させれば、最小の凝縮能力となる。
【００２５】
本実施形態の冷却装置１００では、スターリング冷凍機１の運転出力によって、放熱ファンの回転数を増減させるのではなく、第１放熱ファン１９１又は第２放熱ファン１９２の駆動・停止の制御によって必要な凝縮器能力を得ることができるため、従来よりもはるかに低消費電力かつ低騒音の冷却装置を提供できる。
【００２６】
また、スターリング冷凍機１の定格運転時など放熱量の少ない場合は、第１，第２高温側熱搬送サイクル４１，４２を交互に稼働させるような制御も可能であり、これにより凝縮器寿命を長期化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、スターリング冷凍機を備えた冷却装置に関するものであり、本装置を冷蔵庫に搭載することで、いわゆるノンフロン冷蔵庫を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】は、本発明の冷却装置における高温側熱搬送サイクルの具体的な構造を示す斜視図である。
【図２】は、同高温側熱搬送サイクルの正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図３】は、同高温側熱搬送サイクルの背面図である。
【図４】は、上記冷却装置の概略ブロック図である。
【図５】は、同冷却装置の高温側熱搬送サイクル駆動制御の説明図である。
【図６】は、従来の冷却装置の概略構成を示す側面図である。
【図７】は、同冷却装置における高温側熱搬送サイクルの具体的な構造を示す斜視図である。
【図８】は、同高温側熱搬送サイクルの正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【符号の説明】
【００２９】
１    スターリング冷凍機
２    高温部
３    低温部
４    高温側熱搬送サイクル
４１  第１高温側熱搬送サイクル
４２  第２高温側熱搬送サイクル
５    低温側熱搬送サイクル
６    高温側蒸発器
６Ａ，６Ｂ   半環体
６Ｃ  連通管
７    蒸気側冷媒配管
７Ａ，７Ｂ   縦管
７Ｃ  横管
８１  第１高温側凝縮器
８１Ａ〜８１Ｆ      蛇管
８２  第２高温側凝縮器
８２Ａ〜８２Ｆ      蛇管
１１１       第１凝縮液側冷媒配管
１１１Ａ，１１１Ｂ  縦管
１１１Ｃ     横管
１１２       第２凝縮液側冷媒配管
１１２Ａ，１１２Ｂ  縦管
１１２Ｃ     横管
１２  低温側凝縮器
１６，１８   平板フィン
１９１       第１放熱ファン
１９２       第２放熱ファン
２２  断熱材
２３  制御部
２４  防振装置
【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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