JP2005077049A

JP2005077049A - スターリング冷却庫

Info

Publication number: JP2005077049A
Application number: JP2003311035A
Authority: JP
Inventors: Tsuneyoshi Cho; 張　　恒良
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】ユーザー負担増加やエネルギー浪費を生じることなく、容易に極低温の冷凍品を迅速に解凍することのできるスターリング冷却庫を提供する。
【解決手段】スターリング機関１２の高温側には高温側凝縮器１３が連結され、スターリング機関１２の上方に配置される。スターリング機関１２の低温側には低温側蒸発器９が連結され、スターリング機関１２の下方の冷凍室２内に配置される。スターリング機関１２及び高温側凝縮器１３の前方には解凍室５が設けられる。解凍ファン１７の駆動によって背面の通気孔１１ａから取り入れられた外気は高温側凝縮器１３で熱交換して昇温され、解凍室５に流入して冷凍品Ｗを解凍する。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

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。

その結果、ウォームヘッドが高温側となり、冷媒の循環回路を介してウォームヘッドに連結される高温側凝縮器が外気と熱交換して大気中に熱を放出する。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。コールドヘッドには冷媒を介して冷熱が導かれる低温側蒸発器が連結され、低温側蒸発器との熱交換により空気を冷却することができる。

スターリング機関を用いたスターリング冷却庫は低温側蒸発器と熱交換した空気を冷凍室に送出するように構成される。スターリング冷却庫は蒸気圧縮式の冷凍サイクルを用いた冷却庫よりも室内温度を低温にできる利点がある。例えば、蒸気圧縮式の冷凍室の室内温度が約−２０℃であるのに対して、スターリング冷凍機の冷凍室の室内温度を極低温の約−５０℃にできる。これにより、食品の保存期間を長期化することや美味しさを保つことができる。
特開２００２−３４９３４７号公報（第２頁−第３頁、第１図）

しかしながら、上記従来のスターリング冷却庫によると、冷凍温度を極低温にできるため冷凍食品等の冷凍品の自然解凍による解凍時間がかかり、ユーザーの利便性が悪くなる問題がある。加熱調理器等の解凍用機器を用いて解凍時間を短縮できるが、解凍用機器を別途設けるためにユーザーの負担が増加するとともにエネルギー浪費を招く問題が生じる。

本発明は、ユーザー負担増加やエネルギー浪費を生じることなく容易に迅速な解凍を行うことの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。

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、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、前記高温側凝縮器と熱交換した空気を取り込んで冷凍品を解凍する解凍室を設けたことを特徴としている。

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て昇温された空気は解凍室内に流入し、解凍室内に投入された冷凍食品等の冷凍品を解凍する。

高温側凝縮器との熱交換した空気が解凍室を通過して排気される流路と、解凍室を通過せずに排気される流路とを切り替えるダンパを設けることにより、昇温された空気を解凍室に取り込むことができる。

高温側凝縮器と熱交換した空気を解凍室に取り入れて前方に排気する解凍ファンと、高温側凝縮器に面して配されるとともに高温側凝縮器と熱交換した空気を後方に排気する放熱ファンとを設けてもよい。この構成によると、解凍を行わないときは高温側凝縮器に面した放熱ファンの駆動によって高温側凝縮器と熱交換した空気が後方に排気される。解凍を行うときは解凍ファンの駆動によって高温側凝縮器と熱交換した空気が解凍室を通過して前方に排気される。また、高温側凝縮器の前方に解凍室を設けるとよい。

また、冷凍品を載置する熱伝導性材料から成る解凍プレートを解凍室内に設け、前記高温側凝縮器と熱交換した空気によって前記解凍プレートを加熱するとよい。この構成によると、解凍室に取り込まれた空気は解凍プレートと熱交換した後に冷凍品のある空間を通って排気される。高温側凝縮器と熱交換した空気を解凍プレートの下方から解凍室内に取り込んで解凍室の上方から排気してもよい。

本発明によると、高温側凝縮器と熱交換した空気を取り込んで冷凍品を解凍する解凍室を設けたので、スターリング機関の廃熱を用いて迅速な解凍を行うことができる。従って、ユーザー負担増加やエネルギー浪費を生じることなくユーザーの利便性を向上させることができる。

また本発明によると、高温側凝縮器と熱交換した空気が解凍室を通過して排気される流路と、解凍室を通過せずに排気される流路とを切り替えるダンパを設けることにより、解凍時に昇温された空気を解凍室に取り込むスターリング冷却庫を容易に実現することができる。

また本発明によると、解凍ファンと放熱ファンとを設けたので、解凍を行わないときに高温側凝縮器に面した放熱ファンにより効率良く放熱することができる。また、解凍時に放熱ファンが停止されるので消費エネルギーの増加を防止することができる。

また本発明によると、高温側凝縮器の前方に解凍室を設けたので、高温側凝縮器の前方の小さいスペースを有効利用できるとともに、高温側凝縮器と解凍室とが近設して空気流路の圧力損失の増加を抑制することができる。

また本発明によると、冷凍品を載置する熱伝導性解凍プレートを解凍室内に設け、昇温された空気によって解凍プレートを加熱するので、冷凍品は空気との接触によって供給される熱量が少なく、解凍プレートの蓄熱によって冷凍品の全体に一様に熱が伝えられる。従って、均一な解凍を行うことができる。また、昇温された空気を解凍プレートの下方から解凍室内に取り込んで解凍室の上方から排気したので、容易に解凍プレートを加熱することができる。

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。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、冷凍室２の上方に機械室４が配される。機械室４の前方には解凍室５が設けられ、後方には拡散室６が設けられる。機械室４の上面を覆う天板３と解凍室５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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。高温側凝縮器１３の前方には放熱ファン１６が配される。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（実線）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。

機械室４と拡散室６との間には高温側凝縮器１３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。拡散室６は背面板１１により上面、側面及び背面を覆われている。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に流入して拡散され、背面板１１の上面、側面及び背面に形成された通気孔１１ａから排気される。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。

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。

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。

機械室４の前方に配される解凍室５は前面が開閉可能になっている。解凍室５の背面の下方には流入口５ａが形成され、上面の前方に流出口５ｂが形成される。流出口５ｂに対向する位置には解凍ファン１７が設けられる。解凍室５内には流入口５ａの上方にアルミニウム等の金属から成る解凍プレート１９が設けられている。また、解凍室５の上部には空気通路１５を開閉するダンパ１８が設けられている。

解凍プレート１９に冷凍品Ｗを載置して解凍動作を指示すると、放熱ファン１６を停止してダンパ１８により空気流路１５が閉じられ、解凍ファン１７が駆動される。これにより、矢印Ｂ（破線）に示すように通気孔１１ａ、拡散室６、開口部１４ａを介して機械室４に流入した外気が高温側凝縮器１３と熱交換する。そして、高温側凝縮器１３との熱交換により昇温された空気は流入口５ａを介して解凍室５に取り入れられる。

解凍室５に流入した空気は解凍プレート１９の下方を流通して解凍プレート１９との熱交換により蓄熱する。降温した空気は冷凍品Ｗと接触して流出口５ｂ及び開口部１５ａから前方に排気される。冷凍品Ｗは解凍プレート１９から供給される熱と解凍室５に流入した空気から供給される熱によって解凍される。従って、極低温に冷凍された冷凍品をスターリング機関１２の廃熱を用いて迅速に解凍することができ、解凍ムラを防止できるとともにユーザーの利便性が向上する。

また、スターリング機関１２及び高温側凝縮器１３が配置される機械室４の前方に解凍室６を設けたのでスペースを有効利用することができるとともに、機械室４を解凍室５とが近設するので解凍室５に取り入れられる空気の流路の圧力損失増加を抑制することができる。

また、解凍室５内に金属製の解凍プレート１９を設け、解凍プレート１９の下方から解凍室５内に空気を取り込んで解凍室５の上方から排気したので、冷凍品Ｗと接触する空気は降温されているため接触によって供給される熱量が少なく、解凍プレート１９の蓄熱により解凍が進行する。このため、冷凍品Ｗの全体に一様に熱が伝えられ、均一な解凍を行うことができる。解凍プレート１９は熱伝導率の高い熱伝導性材料であればよく、熱伝導率の高い樹脂等により形成してもよい。

次に図３は第２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。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。本実施形態のスターリング冷却庫１は、放熱ファン１６が解凍室５の流出口５ｂよりも前方の空気通路１５内に配置され、解凍ファン１７（図１参照）が省かれている。そして、空気通路１５と流出口５ｂとをダンパ１８によって択一的に閉塞するようになっている。その他の構成は第１実施形態と同様である。

ダンパ１８により解凍室５の流出口５ｂを閉じて放熱ファン１６を駆動すると、矢印Ａ（実線）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に外気が取り入れられる。機械室４に取り入れられた外気は高温側凝縮器１３と熱交換し、拡散室６を流通して通気孔１１ａから排気される。これにより、高温側凝縮器１３の放熱が行われる。

解凍プレート１９に冷凍品Ｗを載置して解凍動作を指示すると、ダンパ１８により空気通路１５を閉塞して放熱ファン１６を逆回転する。これにより、矢印Ｂ（破線）に示すように通気孔１１ａ、拡散室６、開口部１４ａを介して機械室４に流入した外気が高温側凝縮器１３と熱交換する。そして、高温側凝縮器１３との熱交換により昇温された空気は流入口５ａを介して解凍室５に取り入れられる。解凍室５に取り入れられた空気は解凍プレート１９及び冷凍品Ｗに熱を供給して流出口５ｂ及び開口部１５ａから排気される。これにより冷凍品Ｗの解凍が行われる。

本実施形態によると、放熱ファン１６及びダンパ１８によって高温側凝縮器１３と熱交換した空気を後方に排気する流路と、解凍室５に取り込んで前方に排気する流路とを形成することができる。従って、解凍ファン１７（図１参照）を省いて部品点数削減を図ることができる。ここで、第１実施形態では高温側凝縮器１３に対向して放熱ファン１６が配置されるので本実施形態よりも放熱効率を向上できる。従って、部品点数削減または放熱効率向上の目的に応じて第１、第２実施形態を使い分けることができる。

尚、非解凍時に放熱ファン１６を解凍時と同じ方向に回転し、通気孔１１ａから取り込んだ空気を熱交換後、空気通路１５を介して前方に排気してもよい。しかしながら、ユーザーの不快感を低減するために後方に排気する方がより望ましい。更に、冷凍室２に加えて冷蔵室や野菜室等を設け、低温側蒸発器９により冷却された冷気の量の配分を調整して異なる温度帯を持つ複数の冷却室としてもよい。

本発明によると、高温側凝縮器と熱交換した空気を取り込んで冷凍品を解凍する解凍室を設けたので、スターリング機関の廃熱を用いて迅速な解凍を行うことができる。従って、ユーザー負担増加やエネルギー浪費を生じることなくユーザーの利便性を向上するスターリング冷却庫を提供することができる。

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。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。は、本発明の第２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。

符号の説明

１スターリング冷却庫
２冷却庫
４機械室
５解凍室
６拡散室
９低温側蒸発器
１０循環ファン
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解凍ファン
１８ダンパ
１９解凍プレート
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
Ｗ冷凍品

Claims

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、前記高温側凝縮器と熱交換した空気を取り込んで冷凍品を解凍する解凍室を設けたことを特徴とするスターリング冷却庫。
前記高温側凝縮器と熱交換した空気が前記解凍室を通過して排気される流路と、前記解凍室を通過せずに排気される流路とを切り替えるダンパを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。
前記高温側凝縮器と熱交換した空気を前記解凍室に取り入れて前方に排気する解凍ファンと、前記高温側凝縮器に面して配されるとともに前記高温側凝縮器と熱交換した空気を後方に排気する放熱ファンとを設けたことを特徴とする請求項２に記載のスターリング冷却庫。
前記高温側凝縮器の前方に前記解凍室を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。
冷凍品を載置する熱伝導性材料から成る解凍プレートを前記解凍室内に設け、前記高温側凝縮器と熱交換した空気によって前記解凍プレートを加熱することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のスターリング冷却庫。
前記高温側凝縮器と熱交換した空気を前記解凍プレートの下方から前記解凍室内に取り込んで前記解凍室の上方から排気したことを特徴とする請求項５に記載のスターリング冷却庫。