| 【発明の名称】 |
スターリング冷凍機 |
| 【発明者】 |
【氏名】喜渡 昇一
【氏名】小林 孝
【氏名】古屋 俊一
【氏名】笠原 弘之
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| 【要約】 |
【課題】必要な熱交換量を確保できるとともに、熱交換器の死容量を小さくして出力の向上を図ることができるスターリング冷凍機を提供する。
【解決手段】シリンダブロック３ａ，３ｂの外周面と、シリンダブロック３ａ，３ｂの外側に配置された外筒１３の内周面との間には、軸方向へ貫通する４つの通路１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄが形成されている。高温側熱交換器２０及び再生器２２は各通路１９ａ〜１９ｄに収容され、低温側熱交換器２１はリヤヘッド５のリヤ側通路ＲＰ１〜ＲＰ４に収容されている。直列に並んでいる高温側熱交換器２０、再生器２２及び低温側熱交換器２１の駆動軸６方向の位置を、斜板７を基準として駆動軸６が突出していないリヤヘッド５側に所定寸法だけオフセットし、低温側熱交換器２１の死容積をほぼゼロにした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 低温側熱交換器の死容積が、高温側熱交換器の死容積より小さいことを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項２】 複数のシリンダボアを有するシリンダボディと、このシリンダボディの両端面に結合される２つのシリンダヘッドと、前記シリンダボア内に摺動可能に収容された複数のピストンと、前記シリンダボディ内で駆動軸と一体に回転し、前記複数のピストンを所定の位相差をもたせて前記シリンダボア内で直線往復運動させる斜板と、前記シリンダボア内の前記ピストンの一方に形成される第１の作動空間と、前記シリンダボア内の前記ピストンの他方に形成される第２の作動空間と、前記シリンダボディに設けられ、前記第1 の作動空間の近傍に位置する低温側熱交換器と、前記シリンダボディに設けられ、前記第２の作動空間の近傍に位置する高温側熱交換器と、前記低温側熱交換器と前記高温側熱交換器との間に配置された再生器と、前記シリンダボアの前記第１の作動空間と、このシリンダボア内のピストンに対して前記所定の位相差をもって駆動されるピストンが収容されたシリンダボアの前記第２の作動空間とを連通させる連通路とを備え、前記低温側熱交換器の死容積を、前記高温側熱交換器の死容積より小さくしたことを特徴とするスターリング冷凍機。
【請求項３】 前記高温側熱交換機及び前記低温側熱交換器の前記駆動軸方向の位置を、前記斜板を基準として前記駆動軸が突出していない側にオフセットするとともに、前記高温側熱交換器を前記駆動軸が突出している側に、前記低温側熱交換器を前記駆動軸が突出していない側にそれぞれ位置させていることを特徴とする請求項２に記載のスターリング冷凍機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は斜板式スターリング冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】スターリング冷凍機は、自然ガス（ヘリウム、窒素ガス等）を冷媒とするため環境に無害であること、理論効率がフロンサイクルより高くカルノー効率に等しいこと、比較的構造が簡単であること及び極低温が作り易い等の点から各分野で注目され、特に極低温用冷凍機としては僅かではあるが実用化されている。
【０００３】自動車用エアコンの冷媒圧縮機には様々なタイプのものがあり、その中でも斜板式圧縮機は回転バランスをとり易く、ピストンにかかる側圧が小さく、振動、信頼性の面において優れている。
【０００４】この斜板式圧縮機の基本構造を利用したスターリング機関としては、特開平５−２３１２４０号公報に記載された斜板式スターリング機関が知られている。
【０００５】この斜板式スターリング機関では、シリンダブロックに軸心周りに軸心と平行な４つのシリンダボアが形成されているとともに、各シリンダボアの中央に開口する斜板室が形成され、斜板室内に回転可能な斜板が収容されている。４つのシリンダボアが周方向に一定間隔（９０°）おきに配置されている。
【０００６】また、各シリンダボアには両頭形のピストンが往復移動可能に収容され、各ピストンは一対のシューを介して斜板と係合している。各ピストンは９０°の位相差で駆動される。
【０００７】各ピストンの前後には前側作動空間及び後側作動空間が形成される。各前側作動空間の外側には高温熱交換器が配置され、各後側作動空間の外側には低温熱交換器が配置されている。
【０００８】シリンダボアの前側作動空間とこのシリンダボアと隣接するシリンダボアの後側作動空間とが連通路を介して連通し、各連通路の途中には再生器が設けられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】この斜板式スターリング機関の場合、作動空間に熱交換器を設ける構成ではなく、熱交換は作動空間を覆うウオータジャケットのシリンダ壁面だけで行われる構成であるので、伝熱面積の不足によってサイクル効率が低下してしまい、高出力を得ることは困難である。
【００１０】この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題はサイクル効率を維持しつつ、冷凍能力の向上を図ることができるスターリング冷凍機を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため請求項１記載の発明の斜板式スターリング冷凍機は、低温側熱交換器の死容積が、高温側熱交換器の死容積より小さいことを特徴とする。
【００１２】ここで、スターリング機関性能解析法としての等温解析モデルを説明する。この解析は、■熱再生は完全（再生器効率１００％）
■各空間の作動ガスは均一（等温）
■各空間の瞬時圧力は同一■作動ガスの全質量は一定■作動ガスは完全ガスの状態式に従う■エンジン回転速度は一定、周期的な定常状態■作動ガスの位置エネルギ、運動エネルギは無視の仮定の下に行った。
【００１３】上記仮定■より、作動ガスの全質量Ｍは一定であるから、【００１４】
【数１】
作動ガスの状態式より、【００１５】
【数２】
圧力Ｐは同一であるという仮定■を用い、式（１）に代入すると、【００１６】
【数３】
ここで、再生器温度Ｔk は再生器内に直線的な温度分布を仮定することにより以下のように求められる。
【００１７】
【数４】
式（３）において、圧縮・膨張各空間の容積Ｖc 及びＶe は、クランク回転角θの任意の周期関数としてｆc(θ) ，ｆe(θ) を与え、圧縮・膨張各空間での死容積をＶdc及びＶdeとすれば、【００１８】
【数５】
【００１９】
【数６】
式（３）より作動ガス圧力Ｐを求めると、【００２０】
【数７】
圧縮・膨張空間での放熱・受熱量Ｑc ，Ｑh は、両空間での状態変化は等温であるという仮定■より、両空間での仕事Ｗc ，Ｗh にそれぞれ等しく、【００２１】
【数８】
【００２２】
【数９】
また、式（８）及び式（９）より、１サイクルの投入動力Ｗとサイクルの効率ＣＯＰｃとは【００２３】
【数１０】
【００２４】
【数１１】
となる。
【００２５】なお、上記各式において、記号Ｖ，Ｔ，Ｐ，Ｍはそれぞれ容積，温度，圧力，質量を示す。
【００２６】また、添字ｃ，ｋ，ｒ，ｈ，ｅは圧縮空間，放熱側（高温側）熱交換器，再生器，吸熱側（低温側）熱交換器，膨張空間をそれぞれ示す。
【００２７】図４は等温解析モデルによりスターリングサイクル計算を行った結果を示すグラフである。
【００２８】図４は、圧力Ｐ、容積Ｖ及び温度Ｔを一定とし、死容積比（低温側熱交換器の死容積／高温側熱交換器の死容積）を変えた場合の冷凍能力比とサイクルの効率（ＣＯＰｃ）を示す。
【００２９】なお、図４において、実線は冷凍能力（Ｑｃ）比を、点線はサイクルの効率（ＣＯＰｃ）をそれぞれ示す。
【００３０】また、死容積比が１（低温側熱交換器の死容積と高温側熱交換器の死容積とが等しい）のときの冷凍能力を１として示す。
【００３１】図４のグラフから、死容積比が小さい程、すなわち低温側熱交換器の死容積が高温側熱交換器の死容積より小さくなる程、冷凍能力が大きくなり、サイクルの効率は死容積比に関係なく一定であることがわかる。
【００３２】よって、この請求項１の発明によれば、サイクル効率を維持しつつ、死容積の総和が一定の場合、低温側熱交換器の死容積が高温側熱交換器の死容積と等しいときと比較して冷凍能力を向上させることができる。
【００３３】請求項２の発明のスターリング冷凍機は、複数のシリンダボアを有するシリンダボディと、このシリンダボディの両端面に結合される２つのシリンダヘッドと、前記シリンダボア内に摺動可能に収容された複数のピストンと、前記シリンダボディ内で駆動軸と一体に回転し、前記複数のピストンを所定の位相差をもたせて前記シリンダボア内で直線往復運動させる斜板と、前記シリンダボア内の前記ピストンの一方に形成される第１の作動空間と、前記シリンダボア内の前記ピストンの他方に形成される第２の作動空間と、前記シリンダボディに設けられ、前記第１の作動空間の近傍に位置する低温側熱交換器と、前記シリンダボディに設けられ、前記第２の作動空間の近傍に位置する高温側熱交換器と、前記低温側熱交換器と前記高温側熱交換器との間に配置された再生器と、前記シリンダボアの前記第１の作動空間と、このシリンダボア内のピストンに対して前記所定の位相差をもって駆動されるピストンが収容されたシリンダボアの前記第２の作動空間とを連通させる連通路とを備え、前記低温側熱交換器の死容積を、前記高温側熱交換器の死容積より小さくしたことを特徴とする。
【００３４】サイクル効率を維持しつつ、死容積の総和が一定の場合、低温側熱交換器の死容積が高温側熱交換器の死容積と等しいときと比較して冷凍能力を向上させることができるとともに、斜板式構造が採用されているので、振動、信頼性の面においても優れる。
【００３５】請求項３の発明のスターリング冷凍機は、請求項２に記載のスターリング冷凍機において、前記高温側熱交換機及び前記低温側熱交換器の前記駆動軸方向の位置を、前記斜板を基準として前記駆動軸が突出していない側にオフセットするとともに、前記高温側熱交換器を前記駆動軸が突出している側に、前記低温側熱交換器を前記駆動軸が突出していない側にそれぞれ位置させていることを特徴とする。
【００３６】高温側熱交換器を収容しているスペースを削減することができる。また、リヤヘッドが大型化して伝熱面積を大きくとることができる。更に、駆動軸を長くする必要がない。
【００３７】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３８】図１はこの発明の一実施形態に係るスターリング冷凍機を示す縦断面図、図２は図１のII−II断面図である。
【００３９】フロント側のシリンダブロック３ａとリヤ側のシリンダブロック３ｂとは互いに対向接合されている。両シリンダブロック３ａ，３ｂの外周面は外筒１３で覆われている。
【００４０】外筒１３及び両シリンダブロック３ａ，３ｂのフロント側端面にはフロントヘッド（シリンダヘッド）４が固定され、シリンダブロック３ａ，３ｂのリヤ側端面にはリヤヘッド（シリンダヘッド）５が固定されている。
【００４１】リヤヘッド５の駆動軸６方向の寸法はフロントヘッド４の駆動軸６方向の寸法より大きい。
【００４２】フロント側のシリンダブロック３ａ、リヤ側のシリンダブロック３ｂ、フロントヘッド４及びリヤヘッド５でシリンダボデイ２が構成される。
【００４３】対向接合されたシリンダブロック３ａ，３ｂの中心には駆動軸６が配設され、この駆動軸６には斜板７が固着され、駆動軸６及び斜板７はベアリング８，９，３０，３１により回転可能に支持されている。斜板７は斜板室１０に収容されている。
【００４４】対向接合されたシリンダブロック３ａ，３ｂには互いに平行な４つのシリンダボアＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４が駆動軸６を中心とする同一円周上に等間隔（９０゜間隔）に配設されている。
【００４５】各シリンダボアＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４は回転軸６に平行である。各シリンダボアＢ１〜Ｂ４内には、いわゆる両頭形のピストンＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４がそれぞれ摺動可能に収容されている。
【００４６】ピストンＰ１は、２つの円筒部Ｐ１ａ，Ｐ１ｂとこれらの円筒部Ｐ１ａ，Ｐ１ｂを一体に連結するブリッジ部Ｐ１ｃとで構成されている。他のピストンＰ２〜３もピストンＰ１と同じ構造である。
【００４７】互いに対向するピストンＰ１の円筒部Ｐ１ａ，Ｐ１ｂの内壁面１７ａ，１７ｂには、高炭素鋼で形成された球状のボール１５ａ，１５ｂが転動可能に嵌合する半球状の凹溝１６ａ，１６ｂが形成されている。
【００４８】円筒部Ｐ１ａ，Ｐ１ｂの内壁面１７ａ，１７ｂとブリッジ部Ｐ１ｃの内壁面１４とで形成される空間には、斜板７の一部が入り込んでいる。
【００４９】ボール１５ａ，１５ｂは斜板７の摺動面上を相対回転するディスク３０ａ，３０ｂに転動可能に支持されている。
【００５０】ボール１５ａ，１５ｂとディスク３０ａ，３０ｂとでシューＳ１，Ｓ２が構成され、シューＳ１，Ｓ２を介して斜板７の回転運動がピストンＰ１〜Ｐ４の直線往復運動に変換される。
【００５１】この実施形態では、斜板７が回転軸６と一体に回転すると、各ピストンＰ１〜Ｐ４は９０゜の位相差をもってシリンダボアＢ１〜Ｂ４内を往復直線運動する。
【００５２】シリンダブロック３ａ，３ｂの外周面と、シリンダブロック３ａ，３ｂの外側に配置された外筒１３の内周面との間には、軸方向へ貫通する４つの通路（連通路）１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄが形成されている。
【００５３】高温側熱交換器２０及び再生器２２は各通路１９ａ〜１９ｄに収容され、低温側熱交換器２１はリヤヘッド５のリヤ側通路ＲＰ１〜ＲＰ４に収容されている。高温側熱交換器２０、再生器２２及び低温側熱交換器２１は直列に並んでいる。
【００５４】高温側熱交換器２０、再生器２２及び低温側熱交換器２１の駆動軸６方向の位置は、斜板７を基準として駆動軸６が突出していないリヤヘッド５側に所定寸法だけオフセットされている。
【００５５】なお、高温側熱交換器２０は駆動軸６が突出しいるフロントヘッド４側に位置している。
【００５６】また、低温側熱交換器２１は駆動軸６が突出していないリヤヘッド５側に位置している。
【００５７】低温側熱交換器２１の死容積はほぼゼロになっている。
【００５８】高温側熱交換機２０には循環水が循環され、この循環水は図示しない暖房装置側との間で循環される。また、低温側熱交換器２１にも循環水が循環され、この循環水は図示しない冷房装置との間で循環する。
【００５９】図３はこの発明の一実施形態のスターリング冷凍機を説明するための概念図である。
【００６０】図３に示すように、シリンダボアＢ１の作動空間ＦＳはフロントヘッド４に形成されたフロント側通路ＦＰ１を介して通路１９ａ内の高温側熱交換器２０に連通している。通路１９ａ内の低温側熱交換器２１は、リヤヘッド５に形成されたリヤ側通路ＲＰ２を介してシリンダボアＢ１に隣接するシリンダボアＢ２の作動空間ＲＳに連通している。すなわち、シリンダボアＢ１の作動空間ＦＳとこのシリンダボアＢ１に隣接するシリンダボアＢ２の作動空間ＲＳとはフロント側の通路ＦＰ１、通路１９ａ及びリヤ側通路ＲＰ２を介して連通し、１冷凍サイクルが構成されている。
【００６１】シリンダボアＢ２の作動空間ＦＳは、フロントヘッド４に形成されたフロント側通路ＦＰ２を介して通路１９ｂ内の高温側熱交換器２０に連通している。通路１９ｂ内の低温側熱交換器２１は、リヤヘッド５に形成されたリヤ側通路ＲＰ３を介してシリンダボアＢ２に隣接するシリンダボアＢ３の作動空間ＲＳに連通している。すなわち、シリンダボアＢ２の作動空間ＦＳとこのシリンダボアＢ２に隣接するシリンダボアＢ３の作動空間ＲＳとはフロント側通路ＦＰ２、通路１９ｂ及びリヤ側通路ＲＰ３を介して連通し、１冷凍サイクルが構成されている。
【００６２】シリンダボアＢ３の作動空間ＦＳは、フロントヘッド４に形成されたフロント側通路ＦＰ３を介して通路１９ｃ内の高温側熱交換器２０に連通している。通路１９ｃ内の低温側熱交換器２１は、リヤヘッド５に形成されたリヤ側通穴ＲＰ４を介してシリンダボアＢ３に隣接するシリンダボアＢ４の作動空間ＲＳに連通している。すなわち、シリンダボアＢ３の作動空間ＦＳとこのシリンダボアＢ３に隣接するシリンダボアＢ４の作動空間ＲＳとはフロント側の通路ＦＰ３、通路１９ｃ及びリヤ側通路ＲＰ４を介して連通し、１冷凍サイクルが構成されている。
【００６３】シリンダボアＢ４の作動空間ＦＳは、フロントヘッド４に形成されたフロント側通路ＦＰ４を介して通路１９ｄ内の高温側熱交換器２０に連通している。通路１９ｄ内の低温側熱交換器２１は、リヤヘッド５に形成されたリヤ側通路ＲＰ１を介してシリンダボアＢ４に隣接するシリンダボアＢ１の作動空間ＲＳに連通している。すなわち、シリンダボアＢ４の作動空間ＦＳとこのシリンダボアＢ４に隣接するシリンダボアＢ１の作動空間ＲＳとはフロント側通路ＦＰ４、通路１９ｄ及びリヤ側通路ＲＰ１を介して連通し、１冷凍サイクルが構成されている。
【００６４】特許請求範囲の連通路は、フロント側通路ＦＰ１〜ＦＰ４、リヤ側通路ＲＰ１〜ＲＰ４及び通路１９ａ〜１９ｄで構成される。
【００６５】作動空間ＦＳ、作動空間ＲＳ、フロント側通路ＦＰ１〜ＦＰ４、リヤ側通路ＲＰ１〜ＲＰ４及び通路１９ａ〜１９ｄには、作動ガスとして例えばＨｅ（ヘリウム）が封入される。
【００６６】次に、スターリング冷凍機の作動について説明する。
【００６７】駆動軸６の回転につれて斜板７が一体に回転し、シューＳ１、Ｓ２を介してピストンＰ１〜Ｐ４がシリンダボアＢ１〜Ｂ４内を９０゜の位相差で順次直線往復移動する。
【００６８】ピストンＰ１〜Ｐ４の移動により、作動空間ＦＳの作動ガスが圧縮され、作動空間ＲＳ内の作動ガスが膨脹すると、高温側熱交換機２０内を循環する循環水は温められ、温水となり、低温側熱交換機２１内を循環する循環水は熱を奪われ、冷水となる。
【００６９】このときシリンダボアＢ１〜Ｂ４の作動空間ＦＳ内の作動ガスは、フロント側通路ＦＰ１〜ＦＰ４、通路１９ａ〜１９ｄ及びリヤ側通路ＲＰ１〜ＲＰ４を介して、隣接するシリンダボアＢ１〜Ｂ４の作動空間ＲＳ内に送られる。作動ガスは移動の際に再生器２２よって熱が奪われ、冷やされる。
【００７０】また、各シリンダボアＢ１〜Ｂ４の作動空間ＲＳ内の作動ガスは、リヤ側通路ＲＰ１〜ＲＰ４、通路１９ａ〜１９ｄ及びフロント側通路ＦＰ１〜ＦＰ４を介して、隣接するシリンダボアＢ１〜Ｂ４の作動空間ＦＳ内に送られる。作動ガスは移動の際に再生器２２から熱を奪い、温められる。
【００７１】このようにして高温側熱交換機２０内で温水が循環されて暖房に供され、低温側熱交換機２１内で冷水が循環されて冷房に供される。
【００７２】この実施形態のスターリング冷凍機によれば、以下の効果を奏する。
【００７３】低温側熱交換器２１の死容積がほぼゼロであるので、死容積の総和が一定の場合、低低温側熱交換器２１の死容積が高温側熱交換器２０の死容積と等しいときと比較して冷凍能力を向上させることができる。
【００７４】高温側熱交換機２０を収容していたスペースを削除して外径寸法を小さくできるので、外径寸法を同じにした場合には冷凍能力を高めることができるとともに、円筒形状のシリンダボディ２を取付台に取り付けるためのブラケット（図示せず）を、シリンダボディ２から余り突出させることなく装着することができる。このとき、ブラケットを熱交換器から遠ざけることができ、ブラケットを介して逃げる熱量を抑制することができる。
【００７５】低温側熱交換器２１が収容されるリヤヘッド５の大型化によって伝熱面積を大きくとることができ、熱交換の効率を高めることができる。
【００７６】駆動軸６が突き出す側に熱交換器が突出しないので、駆動軸６を長くする必要がなく、冷凍機の動作が安定する。
【００７７】なお、この実施形態では、暖房装置及び冷房装置との間の熱の媒体として水を使用したが、例えば空気であってもよい。空気を用いた場合には車室内に導入する空気を直接冷やすことができるので、すばやく冷風を吹き出すことができ、窓ガラスの曇を速やかに取り去ることができる。
【００７８】また、この実施形態では、低温側熱交換器２１を駆動軸６が突出していないリヤヘッド５側に配置したが、高温側熱交換器２０をリヤヘッド５側に配置したり、各シリンダボアＢ１〜Ｂ４毎に高温側熱交換器２０と低温側熱交換器２１とをフロントヘッド４側とリヤヘッド５側とに交互に配置させたりしてもよい。
【００７９】更に、死容積を小さくすることは通路を小さくすることによっても可能であるが、作動ガスの流動損失が発生してサイクル性能が低下するため、すべての通路を小さくすることは得策でない。
【００８０】
【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明のスターリング冷凍機によれば、サイクル効率を維持しつつ、死容積の総和が一定の場合、低温側熱交換器の死容積が高温側熱交換器の死容積と等しいときと比較して冷凍能力が向上する。
【００８１】請求項２の発明のスターリング冷凍機によれば、サイクル効率を維持できるとともに、低温側熱交換器の死容積が小さいので、死容積の総和が一定の場合、低温側熱交換器の死容積が高温側熱交換器の死容積と等しいときと比較して冷凍能力を向上させることができる。
【００８２】請求項３の発明のスターリング冷凍機によれば、高温側熱交換器を収容していたスペースを削除して外径寸法を小さくできるので、外径寸法を同じにした場合には冷凍能力を高めることができるとともに、円筒形状のシリンダボディを取付台に取り付けるためのブラケットを、シリンダボディから余り突出させることなく装着することができる。
【００８３】また、ブラケットを熱交換器から遠ざけることができ、ブラケットを介して逃げる熱量を抑制することができる。
【００８４】更に、低温側熱交換器が収容されるリヤヘッドの大型化によって伝熱面積を大きくとることができ、熱交換の効率を高めることができる。
【００８５】また、駆動軸を長くする必要がなく、冷凍機の動作が安定する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３３３３
【氏名又は名称】株式会社ゼクセル
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| 【出願日】 |
平成１０年１０月１３日（１９９８．１０．１３） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９１５５７
【弁理士】
【氏名又は名称】木内 修
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１２１１９１（Ｐ２０００−１２１１９１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年４月２８日（２０００．４．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２９０２２４ |
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