JPH11337208A - スターリング冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却水配管５４内にエアーが多少貯まった場
合でも，冷却水用ポンプＰ１がエアー噛みするのを抑制
する。 【解決手段】 圧縮室３７で圧縮されて温度上昇した作
動ガスと冷却水とを熱交換させる放熱用熱交換器４６を
ガス流路４８中に設ける。また，放熱用熱交換器４６で
熱交換した冷却水の熱を放熱する放熱器５５を設ける。
そして，放熱器５５の下端部とこの放熱器５５の下端部
より高い位置に設けられた放熱用熱交換器４６の下端部
とを冷却水配管５４で連結し，その途中に，放熱用熱交
換器４６から放熱器５５に冷却水を圧送して循環させる
冷却水用ポンプＰ１を設ける。これにより，不測の理由
で冷却水配管５４内にエアーが貯まっても冷却水用ポン
プＰ１がエアー噛みするのを抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，スターリング冷凍
機を使用したスターリング冷却装置に係り，詳しくは冷
却水配管にエアーが多少貯まってもポンプがエアー噛み
を起さないようにして作動ガスの冷却が確実に行えるよ
うにしたスターリング冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スターリング冷却装置に用いられている
スターリング冷凍機は，作動ガスを圧縮膨張することに
より寒冷を発生させている。

【０００３】かかるスターリング冷却機は，圧縮ピスト
ンを備えて圧縮室の作動ガスを圧縮する圧縮部，膨張ピ
ストンを備えて膨張室の作動ガスを膨張させる膨張部等
を有して，圧縮室と膨張室とはガス流路で連通されてい
る。

【０００４】ガス流路には，圧縮されて高温になった作
動ガスを冷却する放熱用熱交換器が設けられて，圧縮室
から膨張室に流動する作動ガスの温度を低くすることに
よりスターリング冷凍機の冷凍効率を高めている。

【０００５】このとき，放熱用熱交換器での放熱効率を
高めるために，例えば冷却水を外気等と熱交換させる放
熱器が設けられている。そして，これら放熱用熱交換器
と放熱器とが冷却水配管により連結されて，冷却水が冷
却水用ポンプにより圧送されて循環するようになってい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，不測の
理由により冷却水配管内にエアーが貯まり，冷却水用ポ
ンプがエアー噛して冷却水を適正に循環させることがで
きなくなる場合がある。このような場合には，圧縮室か
ら膨張室に送られる作動ガスの熱が十分に放熱できなく
なるのでスターリング冷凍機の冷凍効率が低下してしま
う問題があった。

【０００７】即ち，冷却水配管は，種々の箇所において
溶接等の手段を用いて連結されている。当然のことなが
ら連結部分は，適正に連結されて漏水等を起さないよう
に設計され，かつ，検査されるが，ピンホールのように
微少欠陥は検出できない場合がある。

【０００８】かかるピンホールは，本来設計段階で想定
され，これを許容範囲として装置が設計されるが，例え
ばスターリング冷凍機を高地のように気圧の低いところ
で使用した場合や放熱器にゴミ等が付着して冷却水の放
熱が十分に行えず，冷却水の温度が異常上昇し，その結
果冷却水配管内の圧力が上昇した場合等において，ピン
ホールからの漏水量が多くなり，短時間の内に冷却水配
管内にエアーが貯まってしまうことがある。

【０００９】このとき冷却水用ポンプが放熱用熱交換器
の上端部及び放熱器の上端部より高い位置に設けられて
いると，冷却水用ポンプが冷却水配管内に貯まったエア
ーを噛み空回りしてしまうようになる。

【００１０】従って冷却水の循環ができなくなったり，
循環量が減ったりしてスターリング冷凍機が所定の冷凍
能力を発揮できなくなる事態が生じる。

【００１１】そこで，本発明は，冷却水配管内にエアー
が多少貯まった場合でも冷却水用ポンプがエアー噛みす
るのを抑制したスターリング冷却装置を提供することを
目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで上記課題を解決す
るため本発明は，圧縮室の作動ガスを圧縮する圧縮ピス
トンと，この圧縮ピストンと位相が略９０ずれて往復運
動して，膨張室の作動ガスを膨張させる膨張ピストン
と，圧縮室と膨張室とを連結して，作動ガスがこれらの
間を行き来するように連結するガス流路とを有したスタ
ーリング冷却装置において，ガス流路中に設けられて，
圧縮室で圧縮されて温度上昇した作動ガスと冷却水とを
熱交換させる放熱用熱交換器と，この放熱用熱交換器で
熱交換した冷却水の熱を放熱する放熱器と，放熱器の下
端部とこの放熱器の下端部より高い位置に設けられた放
熱用熱交換器の下端部とを連結する冷却水配管途中に設
けられて，放熱器から放熱用熱交換器に冷却水を圧送し
て循環させる冷却水用ポンプとを有して，不測の理由に
より冷却水配管内にエアーが貯まっても冷却水用ポンプ
がエアー噛みするのを抑制するようにしたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を参照し
て説明する。図１は，本発明にかかるスターリング冷却
装置の概略構成を示す図で，スターリング冷却装置１
は，箱型のケース２にスターリング冷凍機３が内設され
ている。

【００１４】またスターリング冷凍機３には冷却ヘッド
４が設けられ，この冷却ヘッド４に冷熱冷媒管路５が接
続されて冷熱冷媒が循環するようになっている。なお，
冷熱冷媒とは，スターリング冷凍機３で発生した冷熱を
冷凍庫等の冷熱利用機器８に搬送するための冷媒をい
う。

【００１５】冷熱冷媒管路５の両端は，ケース２に固着
された入口栓６及び出口栓７に接続され，これら入口栓
６及び出口栓７には，冷熱利用機器８の冷熱冷媒配管の
出口端９及び入口端１０がそれぞれ着脱自在に接続され
る。

【００１６】冷熱冷媒管路５の途中には，冷熱冷媒用ポ
ンプＰ２が配設されて，冷熱冷媒が冷却ヘッド４と冷熱
利用機器８とを循環するようになっている。

【００１７】なお，冷熱利用機器８としては，冷凍庫以
外に冷蔵庫，投げ込み式クーラー，低温液循環器，各種
の温度特性試験用の低温恒温器，恒温槽，ヒートショッ
ク試験装置，凍結乾燥機及びコールドクーラ等が適用可
能である。

【００１８】スターリング冷凍機３におけるハウジング
の頂部には，シリンダ１２が形成され，またハウジング
内は，区画壁１３によってモータ室１４とクランク室１
５とに区画されている。

【００１９】モータ室１４には，正逆回転可能なモータ
１６が配設され，クランク室１５には，モータ１６の回
転動作を往復動に変換する回転往復変換機構部１７が配
設されている。

【００２０】モータ室１４の開口１８及びクランク室１
５の開口１９は，夫々蓋２０，２１で閉止され，ハウジ
ング内が半密閉状態に保持される。

【００２１】ハウジング内には，区画壁１３を貫通し，
ハウジング壁，区画壁１３及び蓋２０，２１の軸受部２
２に軸支されたクランクシャフト２３が回転可能に配置
されている。

【００２２】モータ１６は，ステータ２４ａ，このステ
ータ２４ａの内周側の回転可能に配置されたロータ２４
ｂとから構成され，このロータ２４ｂの中央にクランク
シャフト２３が固定されている。

【００２３】回転往復変換機構部１７は，クランク室１
５内に延びたクランクシャフト２３のクランク部２５，
このクランク部２５に連結されたコンロッド２６，２
７，このコンロッド２６，２７の先端に取り付けられた
クロスガイドヘッド２８，２９等により構成され，スタ
ーリング冷凍機３の駆動手段として機能している。

【００２４】クロスガイドヘッド２８，２９は，シリン
ダ１２の内壁に設けられたクロスガイドライナ３０，３
１内を往復動可能に配置されている。

【００２５】クランク部２５は，モータ１６の正転時に
クランク２５ｂがクランク２５ａより先行して移動する
ように，位相差を付けて形成されている。この位相差
は，一般的には９０度の位相差が採用される。

【００２６】クランク室１５の上部には，圧縮シリンダ
３２及びこの圧縮シリンダ３２の若干上方に位置した膨
張シリンダ３３が配設されている。圧縮シリンダ３２と
膨張シリンダ３３を含めハウジング内には，例えば，ヘ
リウム，水素，窒素等の作動ガスが封入されている。

【００２７】圧縮シリンダ３２は，ハウジングにボルト
等によって固定される圧縮シリンダブロック３４を有
し，圧縮シリンダブロック３４の空間内をピストンリン
グ３５の付設された圧縮ピストン３６が往復摺動して，
この空間の上部（圧縮室）が高温室３７であり，この中
の作動ガスは圧縮されて高温となる。

【００２８】圧縮ピストンロッド３８は，一端が圧縮ピ
ストン３６に固定し，他端がオイルシール３９を介して
伸び，ピンによってクロスガイドヘッド２８に回動自在
に連結されている。

【００２９】往復動する圧縮ピストン３６は上死点及び
下死点で摺動方向が反転するため，速度がゼロになり，
上死点及び下死点付近では速度が遅く単位時間当たりの
容積の変化量も小さく，下死点から上死点及び上死点か
ら下死点に向かって移動するときの夫々の中間点で最高
速度になり，単位時間当たりのピストンの移動による容
積の変化量も最大となる。

【００３０】一方，膨張シリンダ３３は，圧縮シリンダ
３２の上部にボルト等によって固定される膨張シリンダ
ブロック４０を有し，この膨張シリンダブロック４０の
空間内をピストンリング３５’の付設された膨張ピスト
ン４２が往復摺動して，この空間の上部（膨張室）が低
温室４１であり，この中の作動ガスが膨張し低温とな
る。

【００３１】膨張ピストン４２には，膨張ピストンロッ
ド４３の一端が固定され，膨張ピストンロッド４３の他
端はオイルシール４４を介して伸び，クロスガイドヘッ
ド２９に連結されている。膨張ピストン４２は，圧縮ピ
ストン３６より９０度の位相だけ先行して移動する。

【００３２】膨張シリンダブロック４０には，図面下か
ら，圧縮シリンダ３２の圧縮室に作動ガスが流入流出す
るマニホールド４５が連通するように設けられており，
さらに放熱用熱交換器４６，畜冷器４７及び高温室３７
への通路４８が互いに順次連通して環状に配設されてい
る。

【００３３】圧縮シリンダブロック３４の上端部近くに
は，高温室３７とマニホールド４５を連通する連通孔４
９が形成されており，これにより，高温室３７（圧縮
室）と低温室４１（膨張室）は，連通孔４９，マニホー
ルド４５，放熱用熱交換器４６，畜冷器４７及び通路４
８を介して互いに順次連通するように構成されている。

【００３４】なお，上記通路４８は，この部分に熱交換
器を配してクーラとすることも可能である。

【００３５】また，放熱用熱交換器４６は，アニュラー
タイプの熱交換器，例えば，図２及び図３に示すような
シェルアンドチューブ式熱交換器５０（環状の熱交換室
５１内に作動ガスを流す多数のチューブ５２を軸方向に
貫設して，冷却用の水を熱交換室５１内に流して作動ガ
スを冷却する熱交換器）であってもよい。なお，図３は
図２における矢視ＡＡ断面図である。

【００３６】あるいは図４に示すように，環状の作動ガ
ス流路の周囲に環状のジャケット５３を配設し，このジ
ャケット５３内に冷却水を流して作動ガスの冷却を行な
うようにしてもよい。

【００３７】この放熱用熱交換器４６は，冷却水配管５
４及び冷却水用ポンプＰ１を介して放熱器５５と接続さ
れて冷却水が循環し，放熱用熱交換器４６で熱交換して
加熱された冷却水は放熱器５５の冷却ファンより冷却さ
れる。

【００３８】なお，冷却水用ポンプＰ１は，放熱器５５
の下端部Ｋ１と放熱用熱交換器４６の下端部Ｋ４とを連
結する冷却水配管５４中に配設されている。

【００３９】これにより，何らかの理由で冷却水配管５
４にエアーが侵入しても，エアーは冷却水用ポンプＰ１
の入口Ｋ２より高い位置に位置するようになるので，冷
却水用ポンプＰ１のエアー噛を抑制することが可能にな
る。

【００４０】このとき，冷却水用ポンプＰ１の入口Ｋ２
をＫ１より適宜低い位置に設けると共に冷却水用ポンプ
Ｐ１の出口Ｋ３をＫ４より適宜低い位置に設け，かつ，
Ｋ１がＫ４より低くなるように設けるならば，略確実に
冷却水用ポンプＰ１にはエアーが入り込まなくすること
ができるので，冷却水用ポンプＰ１のエアー噛抑制効果
を確実なものとすることができる。

【００４１】冷却水配管５４は，配管が分岐接続されて
いて，この配管には，リザーババルブ５６を介して，水
用リザーバタンク５７が接続されている。

【００４２】また放熱器５５には，エアー抜き５８が接
続されていると共に，ドレーンバルブ５９が接続されて
いる。

【００４３】膨張シリンダブロック４０の上部には，冷
却ヘッド４が形成されている。冷却ヘッド４は，例え
ば，図５及び図６に示すように，膨張シリンダブロック
４０の頂部に肉厚を大きくした頂壁６２を設け，この頂
壁６２に冷熱冷媒の熱交換流路６３を形成した構成とす
る。

【００４４】あるいは図４に示すように膨張シリンダブ
ロック４０の頂部に，ジャケット壁６４を設け，このジ
ャケット壁６４内に冷熱冷媒を流す構造としてもよい。

【００４５】すでに説明したように，冷却ヘッド４は冷
熱冷媒管路５及び冷熱冷媒用ポンプＰ２を介して冷熱利
用機器８と接続され冷熱冷媒を循環している。冷熱冷媒
管路５には，サクションタンク６５が配設されている。

【００４６】このサクションタンク６５には，リザーバ
バルブ６６を介して，冷熱冷媒リザーバタンク６７が接
続されている。サクションタンク６５には，ドレーンバ
ルブ６８が接続されている。また冷熱冷媒管路５には，
エアー抜き６９が接続されている。

【００４７】なお，冷熱冷媒としては，エチルアルコー
ル，ＨＦＥ，ＰＦＣ，窒素，ヘリウム等が使用される。

【００４８】次に，本発明の上記実施例のスターリング
冷却装置１の作用を説明する。モータ１６によってクラ
ンクシャフト２３が正方向に回転し，クランク室１５内
のクランク２５ａ，２５ｂが９０度位相がずれて回転す
る。

【００４９】このクランク部２５ａ，２５ｂに回動自在
に連結されたコンロッド２６，２７を介して，このコン
ロッド２６，２７の先端に取り付けられたクロスガイド
ヘッド２８，２９が，クロスガイドライナ３０，３１内
を往復摺動する。

【００５０】クロスガイドヘッド２８，２９の夫々に圧
縮ピストンロッド３８及び膨張ピストンロッド４３を介
して連結された圧縮ピストン３６及び膨張ピストン４２
が，互いに９０度の位相差をもって往復動する。

【００５１】膨張ピストン４２が９０度先行して上死点
付近でゆっくりと移動中，圧縮ピストン３６は中間付近
を上死点に向かって急速に移動して作動ガスの圧縮動作
を行なう。圧縮された作動ガスは，連通孔４９及びマニ
ホールド４５を通り放熱用熱交換器４６に流入する。

【００５２】放熱用熱交換器４６内で冷却水に放熱した
作動ガスは，畜冷器４７で冷却され，通路４８を通って
低温室４１（膨張室）内に流入する。

【００５３】圧縮ピストン３６が上死点近辺でゆっくり
と移動している時に膨張ピストン４２は急激に下死点に
向かって移動し低温室４１（膨張室）に流入した作動ガ
スは急激に膨張し冷熱が発生する。

【００５４】これにより膨張室を囲む冷却ヘッド４部の
膨張シリンダブロック４０の頂部は冷却され低温とな
る。

【００５５】そして，冷却ヘッド４において，冷熱冷媒
管路５を循環する冷熱冷媒を冷却する。

【００５６】膨張ピストン４２が下死点から上死点に移
動するときには，圧縮ピストン３６は中間位置から下死
点に向かっており，作動ガスは膨張室より通路を通り畜
冷器４７に流入し作動ガスの有する冷熱を畜冷器４７に
蓄熱する。

【００５７】畜冷器４７に蓄熱された冷熱は，上記のよ
うに高温室３７から放熱用熱交換器４６を通して送られ
てくる作動ガスを再度冷却するために再利用される。

【００５８】そして，冷却ヘッド４において冷却された
冷熱冷媒は，冷熱冷媒管路５，出口栓７から，例えば，
冷凍庫等の冷熱利用機器８内の冷熱冷媒配管に送られ，
冷熱利用機器８内で冷凍あるいは冷却作用を行なう。

【００５９】冷熱利用機器８内で，冷熱冷媒は熱を吸収
し冷却作用をして，冷熱冷媒配管から，入口栓６に送ら
れ，冷熱冷媒管路５を通り，冷却ヘッド４に戻され，そ
こで冷却される。

【００６０】このように，冷熱冷媒がスターリング冷凍
機３の冷却ヘッド４と冷熱利用機器８との間で循環し，
スターリング冷凍機３で冷熱冷媒は冷却され，この冷熱
冷媒が冷熱利用機器８において冷却作用をする。以下，
同様のサイクルが繰り返される。

【００６１】一方，放熱用熱交換器４６で熱交換された
冷却水は，冷却水配管５４から放熱器５５に流れ，そこ
で冷却ファンにより冷却され，再度放熱用熱交換器４６
へと循環する。

【００６２】このとき何らかの理由により冷却水配管５
４にエアーが貯まっても，冷却水用ポンプＰ１が放熱器
５５の下端部Ｋ１と放熱用熱交換器４６の下端部Ｋ４と
の間に設けられているので，冷却水用ポンプＰ１のエア
ー噛みを抑制でき，安定して放熱用熱交換器４６に冷却
水を循環させることが可能になっている。従って，スタ
ーリング冷却装置の効率低下を防止することができる。

【００６３】次に，冷熱利用機器８の冷熱交換器に生じ
る霜の霜取り作用について説明する。霜取りを行なう時
には，冷熱利用機器８に設けた図示しない着霜センサー
により着霜を検知して，スターリング冷凍機３のモータ
１６を逆回転する。

【００６４】これにより圧縮ピストン３６及び膨張ピス
トン４２は，９０度の位相差をもって上記モータ１６の
正転動作の場合と全く逆に，圧縮ピストン３６は膨張ピ
ストンとして作用し，膨張ピストン４２は圧縮ピストン
として作用するようになる。

【００６５】従って，膨張シリンダ３３の膨張室内の作
動ガスは，膨張ピストン４２により圧縮されて高温にな
るので，冷熱冷媒は冷却ヘッド４を循環することにより
加熱されて冷熱利用機器８に供給され。熱利用機器８の
熱交換器に生じた霜を除去することができる。

【００６６】よって熱交換器にヒータ線等の除霜手段が
設けられていない，冷熱利用機器８でも効果的に霜取り
が可能となる。

【００６７】また，冷熱利用機器８が冷却恒温槽である
場合，上記モータ１６の逆回転による冷却運転を利用す
ることができる。

【００６８】即ち，本発明のスターリング冷却装置を通
常の冷却運転を行ないながら，恒温槽の温度を測定し
て，その結果により温度制御装置の温度制御回路によ
り，逐次，モータ１６を逆回転制御して加熱運転を行な
い，恒温を維持することができる。

【００６９】なお，上記実施例では２ピストン型のスタ
ーリング冷凍機３を使用したが，ディスプレーサ型等他
の形式のスターリング冷凍機３を使用してもよいことは
いうまでもない。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように，放熱用熱交換器，
放熱器及び冷却水用ポンプを循環路をなすように設け，
かつ，冷却水用ポンプを放熱器の下端部とこの放熱器の
下端部より高い位置に設けられた放熱用熱交換器の下端
部とを連結する冷却水配管途中に設けたので，不測の理
由により冷却水配管内にエアーが貯まっても冷却水用ポ
ンプがエアー噛みするのを抑制することができるように
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の説明に適用されるスター
リング冷却装置の全体概念図である。

【図２】放熱用熱交換器の一例を説明する平面図であ
る。

【図３】図２のＡＡ矢視断面図である。

【図４】スターリング冷却装置の冷却ヘッドの別の例を
説明する側部断面を示す図である。

【図５】スターリング冷却装置の冷却ヘッドの一例を説
明する側部断面を示す図である。

【図６】図５の冷却ヘッドを示す断面図である。

【符号の説明】

１ スターリング冷却装置 ３ スターリング冷凍機 ３６ 圧縮ピストン ３７ 高温室（圧縮室） ４１ 低温室（膨張室） ４２ 膨張ピストン ４６ 放熱用熱交換器 ５４ 冷却水配管 ５５ 放熱器 Ｐ１ 冷却水用ポンプ Ｋ１ 放熱器の下端部 Ｋ２ 冷却水用ポンプの入口 Ｋ３ 冷却水用ポンプの出口 Ｋ４ 放熱用熱交換器の下端部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮室の作動ガスを圧縮する圧縮ピスト
   ンと，この圧縮ピストンと位相が略９０ずれて往復運動
   して，膨張室の作動ガスを膨張させる膨張ピストンと，
   前記圧縮室と前記膨張室とを連結して，作動ガスがこれ
   らの間を行き来するように連結するガス流路とを有した
   スターリング冷却装置において，前記ガス流路中に設け
   られて，前記圧縮室で圧縮されて温度上昇した作動ガス
   と冷却水とを熱交換させる放熱用熱交換器と，この放熱
   用熱交換器で熱交換した冷却水の熱を放熱する放熱器
   と，前記放熱器の下端部とこの放熱器の下端部より高い
   位置に設けられた前記放熱用熱交換器の下端部とを連結
   する冷却水配管途中に設けられて，前記放熱器から前記
   放熱用熱交換器に前記冷却水を圧送して循環させる冷却
   水用ポンプとを有することを特徴とするスターリング冷
   却装置。