(57)【要約】【課題】冷凍サイクルを構成する冷凍機の吸熱部の構造を改良し、これによって吸熱効率を改善する。【解決手段】カーボングラファイトシート５２と銅板５４との積層構造体から成る吸熱ブロック４６の中心孔４７の部分に、冷凍機の吸熱部２０を嵌合させるようにし、しかもカーボングラファイトシート５２と銅板５４との積層構造体から成る吸熱板４８を上記吸熱ブロック４６上に接合する。【選択図】図３
2009133563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクルの吸熱部にカーボングラファイトを含む吸熱ブロックを取付けたことを特徴とする冷凍機。
【請求項２】
前記吸熱ブロックにさらにカーボングラファイトを含む吸熱板が接合されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
【請求項３】
前記吸熱ブロックおよび／または前記吸熱板がカーボングラファイトシートと金属シートとの積層構造体であることを特徴とする請求項２に記載の冷凍機。
【請求項４】
前記吸熱ブロックおよび／または前記吸熱板がカーボングラファイトシートと銅板との積層構造体であることを特徴とする請求項２に記載の冷凍機。
【請求項５】
前記吸熱ブロックおよび／または前記吸熱板がカーボングラファイトシートとステンレス鋼板との積層構造体であることを特徴とする請求項２に記載の冷凍機。
【請求項６】
冷凍サイクルがフリーピストン型のスターリングサイクルであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
【請求項７】
シリンダ内にディスプレーサを収納保持するとともに、該ディスプレーサと同軸状に配されたフリーピストンをリニアモータで往復動さて駆動することを特徴とする請求項６に記載の冷凍機。
【請求項８】
Ｎ形金属とＰ形金属とを並置し、該Ｎ形金属とＰ形金属の高温側端部に放熱フィンが取付けられるとともに、前記Ｎ形金属およびＰ形金属の低温側端部にカーボングラファイト製の吸熱ブロックが取付けられ、ペルチェ効果を応用した電子冷凍サイクルであって、前記カーボングラファイト製の吸熱ブロックによって低温側から吸熱が行われることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷凍機に係り、とくに冷凍サイクルの吸熱部によって外部の熱を奪うようにした冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特開２００５−３３７５５１号公報や特開２００７−３１３０号公報には、フリーピストン型のスターリングサイクル式の冷凍機が開示されている。この冷凍機は、シリンダ内にディスプレーサを収納保持するとともに、このシリンダと同軸状にその延長位置にフリーピストンを配し、フリーピストンをリニアモータによって軸線方向に往復動させ、これによってディスプレーサとフリーピストンとの間に形成されている圧縮室内の冷媒を圧縮し、再生器を通してディスプレーサの反対側の膨張室に冷媒を導くようにし、このときに膨張室の外周側の吸熱部で外部から熱を奪うようにしたものである。ここで冷媒は、等温圧縮、等積加熱、等温膨張、等積冷却を行なうことになり、これによってスターリングサイクルが成立する。
【０００３】
上述のような冷凍機は、その吸熱部によって外部から熱を奪うようにしている。ここで吸熱部による吸熱の効率を高めるために、アルミニウム製の吸熱板を用いるようにしている。ここでアルミニウム製の吸熱板の中心部には、円形の開口が形成されるとともに、この開口の部分に同じくアルミニウム製の筒体が結合され、この筒体を冷凍機の吸熱部に嵌合させるようにしている。
【０００４】
従って冷凍サイクルを駆動すると、吸熱部は、上記筒体およびアルミニウム板を介して外部から熱を奪うことになり、これによって雰囲気温度を低くし、例えば冷蔵庫内の温度を所定の低い温度に保持できるようになる。
【０００５】
ところがアルミニウム板から成る吸熱は、必ずしもその吸熱効率を高く維持することができず、これによって冷凍機の冷凍効率が十分に発揮されない欠点がある。
【特許文献１】特開２００５−３３７５５１号公報
【特許文献２】特開２００７−３１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願発明の課題は、吸熱効率に優れた冷凍機を提供することである。
【０００７】
本願発明の別の課題は、吸熱特性の立上がりに優れた冷凍機を提供することである。
【０００８】
本願発明のさらに別の課題は、冷凍機の機能を十分に発現できるようにした吸熱部を備える冷凍機を提供することである。
【０００９】
本願発明の上記の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想、およびその実施の形態によって明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願の主要な発明は、冷凍サイクルの吸熱部にカーボングラファイトを含む吸熱ブロックを取付けたことを特徴とする冷凍機に関するものである。
【００１１】
ここで、前記吸熱ブロックにさらにカーボングラファイトを含む吸熱板が接合されてよい。また前記吸熱ブロックおよび／または前記吸熱板がカーボングラファイトシートと金属シートとの積層構造体であってよい。また前記吸熱ブロックおよび／または前記吸熱板がカーボングラファイトシートと銅板との積層構造体であってよい。また前記吸熱ブロックおよび／または前記吸熱板がカーボングラファイトシートとステンレス鋼板との積層構造体であってよい。
【００１２】
またここで、冷凍サイクルがフリーピストン型のスターリングサイクルであってよい。またシリンダ内にディスプレーサを収納保持するとともに、該ディスプレーサと同軸状に配されたフリーピストンをリニアモータで往復動さて駆動するようにしてよい。
【００１３】
さらには、Ｎ形金属とＰ形金属とを並置し、該Ｎ形金属とＰ形金属の高温側端部に放熱フィンが取付けられるとともに、前記Ｎ形金属およびＰ形金属の低温側端部にカーボングラファイト製の吸熱ブロックが取付けられ、ペルチェ効果を応用した電子冷凍サイクルであって、前記カーボングラファイト製の吸熱ブロックによって低温側から吸熱が行われるようにしてよい。
【発明の効果】
【００１４】
本願の主要な発明は、冷凍サイクルの吸熱部にカーボングラファイトを含む吸熱ブロックを取付けるようにしたものである。
【００１５】
従ってこのような冷凍機によると、吸熱サイクルの吸熱部に取付けられているカーボングラファイトを含む吸熱ブロックによって、より効果的に熱を吸収することができ、吸熱効率が大幅に改善されることになる。従って冷凍機の冷凍機能を十分に発現することが可能な冷凍機が提供されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図１は本実施の形態に係るフリーピストン型のスターリングサイクル式の冷凍機を示すものであって、この冷凍機は、比較的大径の円筒状をなすハウジング１０を備えている。そしてこのハウジング１０の上部には、ハウジング１０よりも小径の円筒状のケーシング１１が設けられている。なおケーシング１１の上部は閉塞されている。そしてケーシング１１およびハウジング１０の内部であってその中心部には、上下に貫通するように上部シリンダ１２と下部シリンダ１３とが同軸状に連続して配されている。下部シリンダ１３はその中間部に側方に突出するようにフランジ状取付け部１４を備え、このフランジ状取付け部１４がハウジング１０の肩部の内側の被取付け部に取付け固定され、これによって上部シリンダ１２と下部シリンダ１３とがケーシング１１およびハウジング１０内において支持されるようになる。
【００１７】
上部シリンダ１２内には、円柱状をなすディスプレーサ１８が軸線方向に摺動可能に配されている。そしてディスプレーサ１８を支持する上部シリンダ１２の外周部には再生器１９が取付けられている。再生器１９の上部には吸熱部２０が設けられ、この吸熱部２０によって外部から熱を吸収するようにしている。また吸熱部２０の上部には膨張室２１が形成され、この膨張室２１によって冷媒の膨張を行なうようにしている。これに対して再生器１９の下側には排熱部２２が設けられ、外部に熱を排出するようにしている。なお排熱部２２は上記上部シリンダ１２の下端側の連通孔２３によってディスプレーサ１８の下側の圧縮室２４と連通されるようになっている。
【００１８】
上記圧縮室２４がディスプレーサ１８とフリーピストン２８との間に位置するように、上下のシリンダ１２、１３間に圧縮室２４が設けられている。そして上記フランジ状取付け部１４の円周方向の一部には下方に延出された支持アーム２９が設けられ、この支持アーム２９のさらに先端部にはスペーサ３０が取付けられるようになっている。そして支持アーム２９とスペーサ３０との間に板ばね３１が配され、さらにスペーサ３０の先端部に板ばね３２が取付けられている。これら一対の板ばね３１、３２は、ロッド３３および連結ブロック３４を介して上記フリーピストン２８を軸線方向に移動可能に弾性的に支持している。そして上記連結ブロック３４にはさらに円筒状をなす可動子３５が取付けられている。この可動子３５にはマグネット３６が取付けられ、これによってリニアモータ３７の可動子を構成している。
【００１９】
次にリニアモータ３７の固定子側の構造について説明すると、上記可動子３５の外周側に位置するように、筒状をなすコア３９が配されている。このコア３９はその外周面側が開放された溝を備え、この溝の部分にステータコイル４０が巻装されている。またコア３９は下側から押えリング４１によって押えられるようになっており、押えリング４１を介して連結ボルト４２が上記フランジ状取付け部１４に螺着され、これによってステータコア３９がフランジ状取付け部１４に固定されている。
【００２０】
次に上記ディスプレーサ１８が収納される上部シリンダ１２の外周部に形成された吸熱部２０の外周部には、吸熱ブロック４６が取付けられるようになっている。吸熱ブロック４６は上記ケーシング１１の外形とほぼ同じ中心孔４７を備え、この中心孔４７がケーシング１１に嵌合され、これによって吸熱ブロック４６がこの冷凍機の上部に取付けられている。なお吸熱ブロック４６の上面には、さらに板状をなす吸熱板４８が取付け固定されている。これらの吸熱ブロック４６と吸熱板４８とを通して、外部から熱を奪うようにしている。
【００２１】
次にこのような冷凍サイクルによる冷凍の動作について、図１および図２を参照して説明する。リニアモータ３７のコア３９に巻装されたステータコイル４０に対して交番電流を流すと、マグネット３６を備える可動子３５が軸線方向上方または下方の力を受け、このような力が上記連結ブロック３４およびロッド３３を介してフリーピストン２８に伝達される。従ってフリーピストン２８は下部シリンダ１３内において軸線方向に移動するようになり、図１および図２において、シリンダ１３内において上下方向に往復動する。
【００２２】
フリーピストン２８が上方に移動すると、圧縮室２４内の冷媒が圧縮され、圧縮室２４から連通孔２３を通して排熱部２２に至り、ここで外部に対して熱を放出し、再生器１９を経由して吸熱部２０に至り、ここで外部から熱を奪う。そしてこの後膨張室２１に至り、ここで冷媒が完全に膨張気化する。
【００２３】
一方フリーピストン２８が逆に下方に移動すると、圧縮室２４内の圧力が低下し、負圧になる。すると膨張室２１内の冷媒が、膨張室２１から吸熱部２０を経由し再生器１９を通って排熱部２２に至り、連通孔２３によって圧縮室２４に還流する。このような工程によって、等温圧縮、等積加熱、等温膨張、等積冷却を行なうサイクルが達成され、いわゆるスターリングサイクルが成立することになる。なおこのようなスターリングサイクルは、可逆サイクルであるために、カルノーサイクルと熱効率が一致することが知られている。なお図２は、このようなフリーピストンの移動に伴うガスの移動を示している。
【００２４】
図１および図２に示すフリーピストン型のスターリングサイクルの冷凍機において、とくに吸熱部２０における吸熱の改善のために、図３および図４に示すような吸熱ブロックが用いられる。この吸熱ブロックは、カーボングラファイトを用いてブロック状に構成されており、これによって高い吸熱効率を発現するようにしている。
【００２５】
吸熱ブロック４６および吸熱板４８は、カーボングラファイトを主材料とするものである。すなわち天然鱗状黒鉛等の原料を浮遊選鉱し、さらに薬品処理を行なった後に濃硫酸と酸化剤との混酸によって酸処理を行なう。そしてこの後に膨張化処理を行なう。膨張化処理は、炉内においてバーナで高温急過熱を行なうことによって達成される。そしてこの後にロール圧延を行なってシート状に成形する。これによってシート状のグラファイトシートが得られる。吸熱ブロック４６および吸熱板４８は、このようなグラファイトシートを主原料としてブロック状に成形したものである。
【００２６】
図５はとくに、吸熱ブロック４６の成形工程の一例を示している。ここでは、上述のようなシート状のカーボングラファイトを所定の幅にカッティングしたカーボングラファイトシート５２をシートロール５３から供給するとともに、所定の厚さのテープ状の銅板５４をシートロール５５から供給するようにしている。そしてこのときに、カーボングラファイトシート５２と銅板５４とを、挟着ロール５６によって加圧接合し、カーボングラファイトシート５２と銅板５４とを接合した後に積層構造体５７として巻取るようにしている。なおここで、挟着ロール５６によって高い圧力を印加することにより、積層構造体５７を構成するカーボングラファイトシート５２と銅板５４とが密着した状態で円盤状に成形される。
【００２７】
このような積層構造体によって、例えば吸熱ブロック４６が作られることになる。これらの吸熱ブロック４６は、カーボングラファイトシート５２と銅板５４との積層構造体であるために、高い吸熱性能を備えており、従来のアルミニウム板から成る吸熱ブロックに対してはるかに高い吸熱特性を示すことが確認されている。なおカーボングラファイトシート５２と金属シートとの積層構造体を構成する場合には、銅板以外に、ステンレス鋼板等を用いることが可能である。一般にカーボングラファイトシート５２は厚さ方向と直角な面方向の熱の移動特性に優れているのに対し、金属板は厚さ方向の熱の移動特性に優れているために、カーボングラファイトシート５２と金属シート５４との積層構造体によって、より高い吸熱特性が得られるようになる。
【００２８】
図６は吸熱ブロック４６あるいは吸熱板４８を組立てるための別の工程を示している。ここでは、カーボングラファイトシート５２と銅板５４とを交互に重合わせ、この後厚さ方向に高い圧力を印加し、これによって積層構造体のブロックを組立てるようにしている。このような構成によっても、高い吸熱特性を有する吸熱ブロック４６あるいは吸熱板４８を得ることが可能になる。
【００２９】
なお吸熱ブロック４６あるいは吸熱板４８として、カーボングラファイトシートのみから構成するようにしてもよい。この場合において、カーボングラファイトシートを積層して加圧することにより、ブロック状にすることが可能である。
【００３０】
次に別の実施の形態を図７によって説明する。この実施の形態は、ペルチェ効果を応用した電子冷凍サイクルによって構成される冷凍機である。この冷凍機は最小の冷却ユニットとして、Ｎ形金属６１とＰ形金属６２とを備え、これらが互いに並行に配置されている。そしてＮ形金属６１とＰ形金属６２の上端には、共通の高温側の放熱フィン６３が取付けられている。一方Ｎ形金属６１とＰ形金属６２の下端側であって低温側にはそれぞれ電極板６５、６６が取付けられる。そして電極板６５、６６のさらに下側にはカーボングラファイト製の吸熱ブロック６７、６８がそれぞれ取付けられる。ここでカーボングラファイトから成る吸熱ブロック６７、６８は、上記実施の形態と同様であってよく、カーボングラファイトのブロック状の構造体であってよい。あるいはまたカーボングラファイトと金属との積層構造体であってよい。そして図に示すように、Ｎ形金属６１の電極板６５およびＰ形金属６２の電極板６６の間に直流電源６９が接続される。
【００３１】
以上のような構成において、直流電源６９から電極板６６、Ｐ形金属６２、放熱フィン６３、Ｎ形金属６１、電極板６５、直流電源６９の順に、図において矢印で示すように電流を流すと、ペルチェ効果によって、Ｎ形金属６１およびＰ形金属６２内を低温側から高温側に向って熱が移動し、これによって冷凍サイクルが成立する。従って、吸熱ブロック６７、６８を冷却の対象となる部位に配することによって、この部位から熱を奪って温度を下げることが可能になる。
【００３２】
このようなペルチェ効果を応用した電子冷凍サイクルにおいて、上述の如くＮ形金属６１の低温側端部とＰ形金属６２の低温側端部にはそれぞれ吸熱ブロック６７、６８が取付けられており、これらの吸熱ブロック６７、６８が吸熱効率に優れた高い吸熱を行なうために、冷凍効率を改善し、効果的に所定の部位を冷却することが可能になる。
【００３３】
以上本願発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願発明の技術的思想の範囲内において各種の変更が可能である。例えば上記実施の形態における吸熱ブロック４６や吸熱板４８の形状、寸法等については、組合される冷凍機の寸法や冷凍能力に応じて、各種の形状、寸法に変更することが可能である。またカーボングラファイトシート５２と接合される金属シートとしては、必ずしも銅板やステンレス鋼板に限らず、その他の金属板を用いることも可能である。
【００３４】
また本願発明は、必ずしもフリーピストン型のスターリングサイクルの冷凍機や電子冷凍サイクルを応用した冷凍機に限定されることなく、その他各種の冷凍機に適用することができ、その吸熱部にカーボングラファイトを含む吸熱ブロックを取付けることによって、吸熱効率を改善できるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本願発明は、吸熱効率に優れる冷凍機に応用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】フリーピストン型のスターリングサイクルを構成する冷凍機の縦断面図である。
【図２】同冷凍機の冷凍サイクルの原理を示す展開図である。
【図３】冷凍機の吸熱部に取付けられる吸熱ブロックと吸熱板の斜視図である。
【図４】同吸熱ブロックと吸熱板の縦断面図である。
【図５】カーボングラファイトシートと銅板との積層構造体を巻装して成形する状態を示す正面図である。
【図６】カーボングラファイトシートと銅板とを互いに積層して積層構造体を形成する別の形態の要部拡大断面図である。
【図７】ペルチェ効果を応用した電子冷凍サイクルから成る冷凍機の正面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ハウジング
１１  ケーシング
１２  上部シリンダ
１３  下部シリンダ
１４  フランジ状取付け部
１８  ディスプレーサ
１９  再生器
２０  吸熱部
２１  膨張室
２２  排熱部
２３  連通孔
２４  圧縮室
２８  フリーピストン
２９  支持アーム
３０  スペーサ
３１、３２  板ばね
３３  ロッド
３４  連結ブロック
３５  可動子
３６  マグネット
３７  リニアモータ
３９  コア
４０  ステータコイル
４１  押えリング
４２  連結ボルト
４３  センターヨーク
４６  吸熱ブロック
４７  中心孔
４８  吸熱板
５２  カーボングラファイトシート
５３  シートロール
５４  銅板
５５  シートロール
５６  挟着ロール
５７  積層構造体
６１  Ｎ形金属
６２  Ｐ形金属
６３  放熱フィン
６５、６６  電極板
６７、６８  吸熱ブロック
６９  電源
【図１】
2009133563.tif 000003
【図２】
2009133563.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009133563.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009133563.tif 000009