JP2005083628A

JP2005083628A - 冷却庫

Info

Publication number: JP2005083628A
Application number: JP2003315026A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nishimoto; 貴志西本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】スターリング冷凍機を用いた冷却庫の内部空間構成を合理化し、スターリング冷凍機の発生する冷熱を有効活用できるようにする。
【解決手段】冷却庫１は断熱構造の筐体１０及び扉１１を備える。筐体１０の上部角部には冷凍機収納凹部３０が形設され、ここにスターリング冷凍機１００が設置される。筐体１０内には冷凍機収納凹部３０に隣り合う急速冷凍室１４が形成される。スターリング冷凍機１００の吸熱部１４１は筐体１０の内部の冷却器５１と二次冷媒回路５０を介して接続されている。冷却器５１により生成された冷気は一般通風経路２０を通じて庫内各所に分配される。急速冷凍室１４に対しては急速冷凍通風経路２１が設けられる。急速冷凍通風経路２１から急速冷凍室１４に向け、急速冷凍送風機２２によって冷気が吹き出される。
【選択図】図２

Description

本発明はスターリング冷凍機により庫内の冷却を行う冷却庫に関する。「冷却庫」とは、食品その他の物品の保存のため、「庫内」と呼称される密閉空間の温度を下げる装置全般を指す概念であり、「冷蔵庫」「冷凍庫」「冷凍冷蔵庫」といった商品としての名称を問わない。

冷却庫の冷凍サイクルには特定フロン（CFC:chlorofluorocarbon）や代替フロン（HCFC:hydrochlorofluorocarbon、HFC:hydrofluorocarbon）が冷媒として使用されている。これらの冷媒のうちCFCとHCFCは大気中に放出されると程度の差こそあれオゾン層の破壊につながるので、その生産及び使用は国際的な規制の対象となっている。また、オゾン層を破壊しないHFCにも地球温暖化への寄与が大きいという問題がある。

そこで、冷媒としてオゾン破壊物質を使用しないスターリング冷凍機が脚光を浴びている。スターリング冷凍機ではヘリウム等の不活性ガスを冷媒として使用し、外部動力によりピストンとディスプレーサを動作させて冷媒の圧縮・膨張を繰り返し、放熱部（ウォームヘッド）の温度を高めるとともに吸熱部（コールドヘッド）の温度を下げる。そして放熱部で周囲環境に放熱を行い、吸熱部で庫内から吸熱を行うものである。スターリング冷凍機を用いた冷却庫は、特許文献１にその例に見ることができる。

また一般的に冷却庫は、庫内を複数に区画し、区画によって温度を異ならせる。このような冷却庫の例を特許文献２に見ることができる。
特開平３−３６４６８号公報（第３−５頁、図１）特開昭５９−５６６７６号公報（第２−３頁、図２）

圧縮機（コンプレッサ）で冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を凝縮器（コンデンサ）に送って冷却庫外に放熱させ、その冷媒を蒸発器（エバポレータ）で気化させて冷却庫内より吸熱する、一般の冷凍サイクルにあっては、圧縮機の動力によって冷媒を循環させるため、凝縮器、蒸発器の配置は比較的自由である。しかしながらスターリング冷凍機の場合、一般の冷凍サイクルと同様に冷媒を循環させると圧縮、膨脹に寄与しない死容積が増加し、成績係数（COP:Coefficient of Performance）が低下する。従って、二次冷媒回路を通じて吸熱、放熱を行うのであるが、二次冷媒回路の仕組みから、構成要素の配置に一定の制約が生じる。

スターリング冷凍機の放熱部に組み合わせられる二次冷媒回路では、二次冷媒が放熱部の熱により気化し、多数の放熱フィンを並べた放熱器まで上昇する。放熱器を通じて周囲の空気に熱を与えた二次冷媒は凝縮し、重力により流下して放熱部の高さまで戻る。二次冷媒をこのように循環させるため、放熱器はスターリング冷凍機の放熱部（ウォームヘッド）よりも高い位置に置く必要がある。

スターリング冷凍機の吸熱部に組み合わせられる二次冷媒回路では、二次冷媒が吸熱部の冷熱により凝縮し、多数の冷却フィンを並べた冷却器へと流下する。二次冷媒は冷却器を通じ周囲の空気から熱を奪って気化し、吸熱部の高さへと戻る。二次冷媒をこのように循環させるため、冷却器はスターリング冷凍機の吸熱部（コールドヘッド）よりも低い位置に置く必要がある。

上記のような制約により、スターリング冷凍機は冷却庫の底部に置くことはできない。放熱器ともども、冷却庫筐体の上部、特に背面側の角部に置くのが自然且つ適切ということになる。

スターリング冷凍機を冷却庫筐体上部の背面側角部に置くと、その箇所だけ庫内空間が前方に圧縮され、奥行きの浅い空間が生まれる。この空間は、大きな皿やボウルを入れる可能性のある冷蔵室としては使いづらい。

冷凍機の形式は違うが、特許文献２には、筐体上部の背面側角部に冷凍機を置いた冷却庫が記載されている。冷凍機の前方の奥行きの浅い庫内空間は冷凍室とされ、第２エバポレータが配置されている。

スターリング冷凍機の場合、前記した制約により、特許文献２において冷凍室とされている空間に第２冷却器を置くということができない。しかしながらこの空間は、それ以外の空間と異なる寸法的特徴を備えているので、それにふさわしい役割が与えられるべきである。

本発明はこのような要請に応える形でなされたものであって、スターリング冷凍機を用いた冷却庫の内部空間構成を合理化し、スターリング冷凍機の発生する冷熱を有効活用できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では冷却庫を次のように構成した。

（１）筐体外面に冷凍機収納凹部を形設し、この冷凍機収納凹部にスターリング冷凍機を設置し、前記筐体内部には、前記スターリング冷凍機の吸熱部と二次冷媒回路を介して接続された冷却器と、前記冷凍機収納凹部に隣り合う急速冷凍室とを設けるとともに、前記冷却器により生成された冷気を庫内空間に吹き出す一般通風経路に加えて、前記急速冷凍室のみに対し、急速冷凍送風機により冷気を吹き出す急速冷凍通風経路を設けた。

（２）上記構成の冷却庫において、前記急速冷凍送風機の使用／不使用を任意に選択できるものとした。

（３）上記構成の冷却庫において、前記筐体の上部角部に前記冷凍機収納凹部を形設するとともに、この冷凍機収納凹部と横並びとなる位置に前記急速冷凍室を設けた。

（１）スターリング冷凍機は、通常のコンプレッサ型の冷凍機に比較して低温域でCOPが良く、冷却器を通常のエバポレータ以上に温度低下させることができる。この冷却器により生成された冷気を急速冷凍室のみに吹き出す急速冷凍送風機が設けられているので、急速冷凍室内に、コンプレッサ型冷凍機で生成される冷気よりも温度の低い、しかも高速の冷気流が形成され、食品を高効率で急速冷凍することができる。また、急速冷凍送風機で冷気を吹き出すことにより急速冷凍モードとするので、冷却器の数は一つで済み、急速冷凍室用とそれ以外の庫内空間用とに分けて冷却器を設ける必要がない。

（２）急速冷凍送風機の使用／不使用は任意であるから、急速冷凍すべき食品がない場合は急速冷凍送風機を使用しないこととして、庫内の熱負荷を低減するとともに消費電力を削減することができる。

（３）筐体の上部角部に冷凍機収納凹部を形設したので、放熱器の放つ熱を効率良く大気に拡散させることができる。そして、この冷凍機収納凹部と横並びとなる位置に急速冷凍室を設けたので、冷凍機収納凹部の存在により圧縮され、狭くなった空間に冷気を集め、急速な温度低下を実現できる。

以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。

最初に、スターリング冷凍機の構造を図５に基づき説明する。図５はフリーピストン型と称されるスターリング冷凍機の断面図である。

スターリング冷凍機１００の組立の中心となるのはシリンダ１１０、１１１である。シリンダ１１０、１１１の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ１１０にはピストン１１２が挿入され、シリンダ１１１にはディスプレーサ１１３が挿入される。ピストン１１２及びディスプレーサ１１３は、スターリング冷凍機１００の運転中、ガスベアリングの仕組みにより、シリンダ１１０、１１１の内壁に接触することなく往復運動する。

ピストン１１２の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ１１４が固定される。ディスプレーサ１１３の一方の端からはディスプレーサ軸１１５が突出する。ディスプレーサ軸１１５はピストン１１２及びマグネットホルダ１１４を軸方向に自由にスライドできるように貫通する。スターリング冷凍機１００の運転中、ディスプレーサ軸１１５はピストン１１２に接触することなく動く。

シリンダ１１０はピストン１１２の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ１２０を保持する。リニアモータ１２０は、コイル１２１を備えた外側ヨーク１２２と、シリンダ１１０の外面に接するように設けられた内側ヨーク１２３と、外側ヨーク１２２と内側ヨーク１２３の間の環状空間に挿入されたリング状のマグネット１２４と、外側ヨーク１２２及び内側ヨーク１２３を所定の位置関係に保持する合成樹脂製エンドブラケット１２５、１２６と、このエンドブラケット１２５、１２６間を一定の距離に保つスペーサ１２７とを備える。マグネット１２４はマグネットホルダ１１４に固定され、外側ヨーク１２２と内側ヨーク１２３のいずれにも接触しないように支持されている。

マグネットホルダ１１４のハブの部分にはスプリング１３０の中心部が固定される。ディスプレーサ軸１１５にはスプリング１３１の中心部が固定される。スプリング１３０、１３１の外周部はエンドブラケット１２６に固定される。スプリング１３０、１３１の外周部同士の間にはスペーサ１３２が配置されており、これによりスプリング１３０、１３１は一定の距離を保つ。スプリング１３０、１３１は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ピストン１１２とディスプレーサ１１３のそれぞれに共振を起こさせる役割を果たす。

シリンダ１１１のうち、ディスプレーサ１１３の動作領域にあたる部分の外側には放熱部１４０と吸熱部１４１が配置される。放熱部１４０はリング状の部材、吸熱部１４１はキャップ状の部材であって、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属により構成される。放熱部１４０と吸熱部１４１は各々リング状の内部熱交換器１４２、１４３を介在させた形でシリンダ１１１の外側に支持される。内部熱交換器１４２、１４３は共に通気性を有し、内部を通り抜ける冷媒の熱を放熱部１４０又は吸熱部１４１に伝える。放熱部１４０にはシリンダ１１０及び圧力容器１５０が連結される。

放熱部１４０、シリンダ１１０、１１１、ピストン１１２、及び内部熱交換器１４２で囲まれる空間は圧縮空間１４５となる。吸熱部１４１、シリンダ１１１、ディスプレーサ１１３、及び内部熱交換器１４３で囲まれる空間は膨張空間１４６となる。

内部熱交換器１４２、１４３の間には再生器１４７が配置される。再生器１４７も通気性を有し、内部を冷媒が通る。再生器１４７の外側を再生器チューブ１４８が包む。再生器チューブ１４８は放熱部１４０と吸熱部１４１の間に気密通路を構成する。

リニアモータ１２０、シリンダ１１０、及びピストン１１２をキャップ状の圧力容器１５０が覆う。圧力容器１５０の内部はバウンス空間１５１となる。

スターリング冷凍機１００は次のように動作する。リニアモータ１２０のコイル１２１に交流電流を供給すると外側ヨーク１２２と内側ヨーク１２３の間にマグネット１２４を貫通する磁界が発生し、マグネット１２４は軸方向に往復する。ピストン系（ピストン１１２、マグネットホルダ１１４、マグネット１２４、及びスプリング１３０）の総質量と、スプリング１３０のバネ定数とにより定まる共振周波数に一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。

また、ディスプレーサ系（ディスプレーサ１１３、ディスプレーサ軸１１５、及びスプリング１３１）の総質量と、スプリング１３１のバネ定数とにより定まる共振周波数を、ピストン１１２の駆動周波数に共振するよう設定する。

ピストン１１２を往復運動させると、圧縮空間は圧縮、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１１３も往復運動を行う。このとき、圧縮空間１４５と膨脹空間１４６との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ１１３とピストン１１２との間に位相差が生じる。かくしてフリーピストン構造のディスプレーサ１１３は、ピストン１１２と所定の位相差をもって同期振動する。

このような動きにより、圧縮空間１４５と膨脹空間１４６との間にスターリングサイクルが形成される。圧縮空間１４５では等温圧縮変化に基いて冷媒の温度が上昇し、膨脹空間１４６では等温膨脹変化に基づいて冷媒の温度が低下する。このため、圧縮空間１４５の温度は上昇し、膨張空間１４６の温度は下降する。

運転中に圧縮空間１４５と膨張空間１４６の間を往復する冷媒は、内部熱交換器１４２、１４３を通過する際に、その有する熱を内部熱交換器１４２、１４３を通じて放熱部１４０と吸熱部１４１に伝える。圧縮空間１４５から再生器１４７に流れ込む冷媒は高温であるため、放熱部１４０は加熱される。膨張空間１４６から再生器１４７に流れ込む冷媒は低温であるため、吸熱部１４１は冷却される。放熱部１４０より熱を周囲の空気に放散し、吸熱部１４１で周囲の空気から熱を奪うことにより、スターリング冷凍機１００は冷凍機関としての機能を果たす。

再生器１４７は、圧縮空間１４５と膨張空間１４６の熱を相手側の空間には伝えず、冷媒だけを通す働きをする。圧縮空間１４５から内部熱交換器１４２を経て再生器１４７に入った高温の冷媒は、再生器１４７を通過するときにその熱を再生器１４７に与え、温度が下がった状態で膨張空間１４６に流入する。膨張空間１４６から内部熱交換器１４３を経て再生器１４７に入った低温の冷媒は、再生器１４７を通過するときに再生器１４７から熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間１４５に流入する。すなわち再生器１４７は蓄熱装置としての役割を果たす。

上記のようなスターリング冷凍機を備えた冷却庫の実施形態を図１〜４に示す。図１は冷却庫の部分垂直断面図、図２は図１と異なる状態における冷却庫の部分垂直断面図、図３はスターリング冷凍機と二次冷媒回路との組み合わせ状況を示す正面図、図４は冷却庫の水平断面図である。

冷却庫１は食品保存用であり、断熱構造の筐体１０を備える。筐体１０の正面（図１において左側）は全面的に開口部となっており、この開口部を開閉自在な扉１１が閉ざす。扉１１も断熱構造である。冷却庫１の庫内空間１２は複数の棚板１３により上下複数段に区画される。最上段の区画が急速冷凍室１４となる。

筐体１０の上部には、筐体上面と筐体背面のなす角部に冷凍機収納凹部３０が形設され、その中にスターリング冷凍機１００が設置される。架台３１がスターリング冷凍機１００を支持する。急速冷凍室１４は冷凍機収納凹部３０と筐体１０の壁を隔てて隣り合う位置にある。高さに着目して言えば、急速冷凍室１４は冷凍機収納凹部３０と横並びの位置にある。

スターリング冷凍機１００の放熱部１４０には二次冷媒回路４０が組み合わせられ、吸熱部１４１には二次冷媒回路５０が組み合わせられる（図３参照）。

二次冷媒回路４０は銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属からなるパイプを閉ループ状にしたものであり、一部は放熱部１４０を取り巻き、他の一部はスターリング冷凍機１００の圧力容器１５０の上に延び出す。圧力容器１５０の上に延び出した部分に、多数の放熱フィン４２を並べた放熱器４１が取り付けられている。放熱フィン４２も熱伝導の良い金属からなる。二次冷媒回路４０の内部には水などの二次冷媒が密封されている。

二次冷媒回路５０も銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属からなるパイプを閉ループ状にしたものであり、一部は吸熱部１４１を取り巻き、他の一部は筐体１０の内部に入り込む。筐体１０の内部に入り込んだ部分に、多数の冷却フィン５２を並べた冷却器５１を取り付ける。冷却フィン５２も熱伝導の良い金属からなる。二次冷媒回路５０の内部にはＣＯ２などの二次冷媒が密封されている。

冷凍機収納凹部３０の背面と左右側面はカバー３２により、上面は天板３３により、それぞれ覆われる。天板３３は筐体１０の上面と所定間隔を隔てて対峙する。この間隔が通風経路３４となる。カバー３２には排気口３５が形設される。排気口３５にはパンチングメタル、金網、格子などからなる侵入防止手段が取り付けられる。

通風経路３４と排気口３５を連結するダクト３６が設けられ、その中に放熱器４１が入れられる。放熱器４１の前面側にはプロペラファンとこれを回転させるモータからなる送風機３７が設置される。

冷却庫１の庫内空間１２には、背面側の内壁に沿って垂直方向に延びるダクト１５、１６が設けられる。ダクト１５は奥側に位置し、ダクト１６はその手前側に位置する。ダクト１５は庫内空間１２の途中までの高さで終わるが、ダクト１６は急速冷凍室１４まで続く。

ダクト１５の下端には庫内空間１２から庫内空気を吸い込む吸気口１７が設けられ、上端にはダクト１６に空気を吹き出す送風機１８が設けられる。送風機１８は送風機３７と同様の構造である。吸気口１７と送風機１８の間に冷却器５１が設置される。送風機１８の運転により吸気口１７から吸い込まれた空気は、冷却器５１を通過する際に温度を奪われ、冷気となる。

送風機１８によりダクト１６に吹き出された冷気はダクト１６の中を上下に分かれて進み、区画毎に設けられた吹出口１９から庫内空間１２に吹き出される。急速冷凍室１４にも吹出口１９が設けられている。ダクト１６のうち、急速冷凍室１４の吹出口１９を含めてそれより下の部分が一般通風経路２０となる。一般通風経路２０より上の部分は急速冷凍通風経路２１となる。急速冷凍通風経路２１には急速冷凍室１４に冷気を吹き出す急速冷凍送風機２２が設置される。急速冷凍送風機２２は送風機３７と同様の構造である。

続いて冷却庫１の動作を説明する。

スターリング冷凍機１００が駆動されると、放熱部１４０は温度が上昇し、吸熱部１４１は温度が低下する。

二次冷媒回路４０内の二次冷媒は放熱部１４０の熱により気化し、放熱器４１に熱を伝達する。スターリング冷凍機１００と共に送風機３７が駆動され、通風経路３４から放熱器４１を通り、排気口３５から排出される強制空冷気流が形成される。強制空冷気流により、放熱器４１の熱は速やかに大気中に放散される。二次冷媒は放熱器４１で熱を奪われて凝縮し、重力によって放熱部１４０のレベルまで流下する。このように二次冷媒回路４０内の二次冷媒は気化と凝縮を繰り返して循環し、放熱部１４０の熱を放熱器４１に伝達する。

二次冷媒回路５０内の二次冷媒は吸熱部１４１の冷熱により凝縮して冷却器５１に流下する。スターリング冷凍機１００と共に送風機１８が駆動され、吸気口１７から冷却器５１を経てダクト１６内に排出される空気流が形成される。冷却器５１を通過するとき、空気は熱を奪われて冷気となる。逆に二次冷媒回路５０内の二次冷媒は冷却器５１から熱を与えられて気化し、吸熱部１４１のレベルまで上昇する。このように二次冷媒回路５０内の二次冷媒は凝縮と気化を繰り返して循環し、吸熱部１４１の冷熱を冷却器５１に伝達する。

ダクト１６内に送り込まれた冷気は各所の吹出口１９から吹き出し、庫内空間１２の各区画を冷却する。冷気は棚板１３と扉１１の隙間を通って吸気口１７に戻る。このようにして、庫内空間１２に冷気の循環が形成される。

食品を急速冷凍する必要が生じたときは、図２のように急速冷凍室１４に食品Ｆを入れて扉１１を閉じた後、急速冷凍送風機２２を駆動する。すると、ダクト１６から大量の冷気が吸い出され、高速気流となって食品Ｆに吹き付けられる。冷却器５１は通常のエバポレータよりも低温とすることができ、生成する冷気もそれだけ低温にできる。このため、気流の温度が低いことと、気流速度が速いこととが相まって、食品Ｆを高効率で急速冷凍することができる。

急速冷凍時の冷気循環は、通常時の冷気循環とは少し様相を異にする。すなわち急速冷凍通風経路２１を高速で冷気が流れることにより、急速冷凍室１４やその直下の区画などでは吹出口１９からダクト１６内に空気が吸い込まれる。しかしながら、吸気口１７から吸い込まれた庫内空気が冷気となって各区画に分配されるという基本的な構図は変わらないので、冷却過程にある食品Ｆが比較的高温であっても熱的な影響を受けにくい。よって、他の区画で保存中の食品は、温度変化による再結晶化を起こさず高品質のまま長期保存できる。

急速冷凍した食品Ｆはそのまま急速冷凍室１４に、あるいは他の冷凍室に保管することができる。冷却庫１の冷熱源はスターリング冷凍機１００なので、コンプレッサを用いた一般の冷凍サイクル以上に低温域で高いCOPを得ることができる。すなわち一般の冷凍サイクルでは−１８゜Ｃあたりが食品の保存性と省エネ性から考えられる実用的な低温の限界であるが、スターリング冷凍機の場合、−３０゜Ｃから−５０゜Ｃといったレベルの低温を得ることができる。−３０゜Ｃから−３５゜Ｃあたりになると澱粉の老化が抑えられる。また低温であるほど魚に含まれる油脂の酸化が抑えられる。このように−３０゜Ｃ以下の低温で保存すると、味や栄養の劣化が抑えられるうえ、−１８゜Ｃでの冷凍保存に比べ、保存可能期間が３倍以上に延びる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は家庭用又は業務用の冷却庫であって、スターリング冷凍機を冷熱源とするもの全般に利用可能である。

本発明の実施形態に係る冷却庫の部分垂直断面図図１と異なる状態における冷却庫の部分垂直断面図スターリング冷凍機と二次冷媒回路との組み合わせ状況を示す正面図冷却庫の水平断面図スターリング冷凍機の断面図

符号の説明

１冷却庫
１０筐体
１１扉
１２庫内空間
１４急速冷凍室
１５、１６ダクト
２０一般通風経路
２１急速冷凍通風経路
２２急速冷凍送風機
４０二次冷媒回路
４１放熱器
５０二次冷媒回路
５１冷却器
１００スターリング冷凍機
１４０放熱部
１４１吸熱部

Claims

筐体外面に冷凍機収納凹部を形設し、この冷凍機収納凹部にスターリング冷凍機を設置し、前記筐体内部には、前記スターリング冷凍機の吸熱部と二次冷媒回路を介して接続された冷却器と、前記冷凍機収納凹部に隣り合う急速冷凍室とを設けるとともに、前記冷却器により生成された冷気を庫内空間に吹き出す一般通風経路に加えて、前記急速冷凍室のみに対し、急速冷凍送風機により冷気を吹き出す急速冷凍通風経路を設けたことを特徴とする冷却庫。
前記急速冷凍送風機の使用／不使用を任意に選択できることを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
前記筐体の上部角部に前記冷凍機収納凹部を形設するとともに、この冷凍機収納凹部と横並びとなる位置に前記急速冷凍室を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却庫。