JP2005283023A - スターリング冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヒータ等の専用機器を用いることなく壁面の発露を高率よく確実に防止することができ、それだけ、消費エネルギを低減し、効率よく冷却することができるスターリング冷却庫を提供する。
【解決手段】 スターリング冷凍機２にて被冷却領域の冷却を行うスターリング冷却庫Ａにおいて、放熱側自然循環回路３と、放熱側強制循環回路４と、制御装置Ｃｏｎｔを有しており、制御装置Ｃｏｎｔはスターリング冷却庫Ａの壁面温度と外部の露点温度の温度差に応じて高温部２２の温度を調節する。

【選択図】 図４

Description

本発明は、スターリング冷凍機を用いた冷却庫に関するものである。

従来、冷凍機等の冷凍サイクルには、一般に蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。作動ガスとしての冷媒にはＣＦＣ（Chlorofluorocarbon）系冷媒及びＨＣＦＣ（Hydro-chlorofluorocarbon）系冷媒が用いられ、その凝縮、蒸発を利用して所望の冷却性能を得ている。ところが、ＣＦＣ系冷媒は既に全廃されており、ＨＣＦＣ系冷媒もオゾン層保護の国際条約により使用が規制されている。また、新たに開発されたＨＦＣ（Hydrofluorocarbon）系の冷媒は、オゾン層を破壊しないが、地球温暖化係数が二酸化炭素の数百から数千倍以上という強力な温暖化物質であり、排出規制の対象となっている。

そこで、ＣＦＣ、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ系冷媒を作動冷媒とする蒸気圧縮式冷凍サイクルの代替として、逆スターリング冷凍サイクルが注目されている。前記逆スターリング冷凍サイクルはその作動ガスとして、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等の地球環境に悪影響を与えないガスを採用している。この逆スターリング冷凍サイクルを用いたスターリング冷凍機は、極低温レベルの寒冷を発生させることができる小型冷凍機の一つとして知られている。

前記スターリング冷凍機は、外部動力によりパワーピストン及びディスプレーサを作動させることによって作動媒体の圧縮・膨張を繰り返し、低温熱源(冷却空間)から吸熱し、高温熱源（一般的には大気中）に放熱を行う密閉サイクルである。

図７にスターリング冷却庫の概略配置図を示す。図７に示すスターリング冷却庫Ｄは、スターリング冷凍機９１と、スターリング冷凍機９１にて発生した冷熱を二次冷媒にて運搬する冷却側自然循環回路９２と、スターリング冷凍機９１にて発生した熱を冷却庫Ｄの外部に排熱する放熱側自然循環回路９３とを有している。

スターリング冷凍機９１は、その内部に設けられた内部熱交換器の形状と大きさにより、低温ヘッドと呼ばれる低温部９１１と高温ヘッドと呼ばれる高温部９１２を備えている。冷却庫の冷却システム装置としてスターリング冷凍機９１を用いる場合、低温ヘッド９１１は表面積が小さいので、効率よく低温ヘッド９１１より冷熱を利用する場所への冷熱を搬送すること、及び、効率よく高温ヘッド９１２から熱を環境雰囲気中に放出することが重要である。そこで、スターリング冷凍機９１で発生した冷熱及び熱を運搬する方法として、冷却側自然循環回路９２、放熱側自然循環回路９３が用いられる。

冷却側自然循環回路９２は、低温ヘッド９１１に接触して配置される冷却側凝縮器９２１と、スターリング冷却庫Ｄ内の冷却側蒸発器９２２（冷却器）とを連結するように冷媒流動パイプ９２３が取り付けられている。スターリング冷凍機９１の低温ヘッド９１１に取り付けられた冷却側凝縮器９２１は冷媒流動パイプと接続し、冷媒流動パイプ９２３は鉛直下向きに延びると共に冷却側蒸発器９２２と接続している。冷却側凝縮器９２１、冷却側蒸発器９２２及び冷媒流動パイプ９２３はループ状のサーモサイホンを形成しており、内部には二次冷媒が封入されている。

冷却側自然循環回路９２内の二次冷媒は、冷却側凝縮器９２１で低温ヘッド９１１の冷熱により液化し、液体の二次冷媒は冷媒流動パイプ９２３内を流動し冷却側蒸発器９２２に流入する。冷却側蒸発器９２２に流入した二次冷媒は冷却側蒸発器９２２を通過するときに外部と熱交換を行い（外部より熱を吸収して）蒸気へと変化する。蒸気となった二次冷媒は高温の蒸気が上昇する現象と、冷却側凝縮器９２１で蒸気が液化するときの比重の変化による圧力差にて吸い上げられて冷却側凝縮器９２１に流入する。

また、スターリング冷凍機９１の高温ヘッド９１２にて発生した熱をスターリング冷却庫Ｄの外部に放熱する方法として、上述の冷却側自然循環回路９２と同様の構成を有する放熱側自然循環回路９３を用いている。

放熱側自然循環回路９３は、高温ヘッド９１２に接触配置される放熱側蒸発器９３１と、放熱側蒸発器９３１の上部に配置された放熱側凝縮器９３２と、放熱側蒸発器９３１と放熱側凝縮器９３２とを連結する放熱側冷媒流動パイプ９３３とを有している。放熱側蒸発器９３１、放熱側凝縮器９３２及び放熱側冷媒流動パイプ９３３はループ状に連結されると共に内部に冷媒が封入されて、サーモサイホンを形成している。

冷媒は放熱側蒸発器９３１で高温ヘッド９１２の温熱を吸熱して蒸発する。蒸発した冷媒は放熱側冷媒流動パイプ９３３内部を流動し放熱側凝縮器９３２に流入する。放熱側凝縮器９３２には冷たい空気を吹き付ける送風ファン９３４が取り付けられている。送風ファン９３４にて送られてくる冷たい空気で、放熱側凝縮器９３２内の冷媒は冷却され液体へと相変化する。液化した冷媒は放熱側冷媒流動パイプ９３３を流動して放熱側蒸発器９３１に流入する。

この冷却側自然循環回路９２及び放熱側自然循環回路９３は自然の対流を利用しており、圧縮機等の冷媒を強制循環させるための装置は不要であり、それだけ構成部品を減らすことができる。また、強制循環させるためのエネルギも削減することが可能である。

また、スターリング冷却庫Ｄの内部は外部空気の露点温度以下に冷やされるので、その冷気が冷却庫壁面を伝って伝播すると冷却庫壁面に外気に含まれる水分が発露する。特に冷蔵庫のドアフランジやドアパッキンは直接に庫内の冷気と触れるので、発露しやすい。この発露を防止するためにスターリング冷却庫Ｄの壁面の断熱能力を高める方法や、壁面内部又は近傍に電気ヒータ９５を設置しておき、ヒータ９５を駆動しその熱で発露を防止する方法等が用いられている。

スターリング冷却庫Ｄの壁面断熱能力を高めることで該冷却庫Ｄの壁面に発露するのを防止することが可能である。外壁内部に高い断熱能力を有する断熱材を外壁面の発露防止に必要な量を封入することで、スターリング冷却庫の外壁を外壁面に発露しないようにすることができる。
特開２００３−３０２７８号公報

しかしながら、電気ヒータ９５にてスターリング冷却庫Ｄの壁面を加熱し発露を防止する方法の場合、スターリング冷却庫Ｄの壁面内部又は外壁面近傍に電気ヒータ９５を配置しなくてはならず、製造に手間と時間がかかる。また、電気ヒータＤを駆動するための電力を供給する配線や給電ユニット等も設置しなくてはならずコストもかかる。さらには、発露を防止するために電気ヒータ９５を駆動するので被冷却領域を冷却するために必要な電力以外にも電力がかかり、エネルギの無駄な消費につながる。また、ヒータの設置場所や配線等の構成部材が増えることで、スターリング冷却庫Ｄの内部の冷却領域が縮小されることも起こりうる。

また、壁面の断熱能力を高めるものの場合、冷却庫の外壁面が発露するのを防止するためには、外壁に封入する断熱能力の高い断熱材を多量に必要とするので、製造に多くのコストが必要である。また、壁面に所定の厚みが必要であるので冷却庫の大きさが大きくなる。特に冷蔵庫のドアフランジやドアパッキンは直接に庫内の冷気と触れるので、壁面断熱能力を高めても発露するので、どうしても冷蔵庫のドアフランジとドアパッキンを温める手段が必要である。

そこで本発明は、スターリング冷凍機で被冷却領域を冷却するスターリング冷却器であって、スターリング冷凍機で発生する熱を利用して効率よく確実に壁面の発露防止することができ、それだけ、スターリング冷却庫の構成部材及び消費エネルギを低減し、効率よく被冷却領域を冷却することを目的とする。

上述の目的を達成するために本発明は、スターリング冷凍機にて被冷却領域の冷却を行うスターリング冷却庫において、前記スターリング冷凍機の高温部の温熱を庫外に放出する放熱側自然循環回路と、スターリング冷却庫の外壁面に前記高温部の熱を与える放熱側強制循環回路と、前記スターリング冷却庫を制御する制御装置を有しており、前記制御装置は前記スターリング冷却庫の壁面温度と外部の露点温度の温度差に応じて前記スターリング冷凍機の高温部の温度を調節するものである。

この構成によると、スターリング冷却庫の壁面の発露を防止するためにスターリング冷凍機より発生した熱を再利用するので、無駄なエネルギ消費が少なく、効率よく確実に発露を防止することができる。

上記構成において、前記放熱側自然循環回路は外部に熱を放出する凝縮器と、該凝縮器に対して空気を送る送風ファンを備えており、前記制御装置は前記温度差が予め決められた値域の下限値よりも小さいときは前記送風ファンの風量を減らして前記高温部の温度を上げるものとしてもよい。前記循環ポンプの動作およびスターリング冷凍機を制御するための制御手段が備えられており、前記制御手段は周囲温度、露点温度、前記壁面の壁面温度及び前記スターリング冷凍機の高温部温度を測定することができる検知手段を有しており、前記検知手段にて検出した周囲温度、露点温度、前記壁面の壁面温度及び前記スターリング冷凍機の高温部温度をもとに前記送風ファン、前記循環ポンプの駆動および前記スターリング冷凍機を制御するようにしてもよい。

また、前記放熱側自然循環回路は外部に熱を放出する凝縮器と、該凝縮器に対して空気を送る送風ファンを備えており、前記制御装置は前記温度差が前記値域の上限値よりも大きいときは前記送風ファンの風量を増やして前記高温部の温度を下げるものとしてもよい。

さらには、前記放熱側強制循環回路は該回路内に強制的に冷媒を循環させるための循環ポンプを有しており、前記送風ファンの風量が通常の風量であり前記温度差が前記値域の上限値よりも大きいときは前記循環ポンプの流量を減らすか又は止めることで前記高温部の温度を下げるものであってもよい。前記制御手段にて前記送風ファンまたは前記循環ポンプの回転数を低下（停止を含め）させたことにより、前記検知手段にて検出した前記高温部温度と周囲温度との差が大きくなるときは、スターリング冷凍機の印加電圧を上げ、前記制御手段にて前記送風ファンまたは循環ポンプの回転数を増加させしたことにより、前記検知手段にて検出した前記高温部温度と周囲温度との差が小さくなるときは、スターリング冷凍機の印加電圧を下げるようにしてもよい。

以上の構成によると、前記放熱側自然循環回路の放熱量及び前記壁面へ与える熱量を、壁面温度と外部の露点温度の温度差に応じて前記送風ファンの風量及び前記循環ポンプの流量を調節することで、前記高温部の温度を制御することができるので、スターリング冷凍機の動作を妨げることなく且つ効率よく確実に前記スターリング冷却庫の壁面の発露を防止することができる。また、前記送風ファンと前記循環ポンプを制御するとともに、前記スターリング冷凍機も制御することにより、スターリング冷蔵庫のより安定な運転とより安定な庫内温度を実現することができる。例えば、前記制御手段にて前記送風ファンまたは循環ポンプの回転数を低下（停止を含め）させたことにより、前記検知手段にて検出した前記高温部温度と周囲温度との差が大きくなると、スターリング冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）が低下するため、スターリング冷凍機の冷熱の出力が小さくなり、スターリング冷凍機の印加電圧（入力）を上げないと、庫内温度の上昇が必至である。したがって、必要に応じて、前記スターリング冷凍機も制御することが望ましい。

上記構成において、前記放熱側自然循環回路と前記放熱側強制循環回路は異なる閉回路を構成し、異なる冷媒が封入されているものであってもよい。

この構成によると、前記放熱側自然循環回路と前記放熱側強制循環回路とで異なる性質を有する冷媒を封入することができ、該放熱側自然循環回路は効率よく放熱することができ、該放熱側強制循環回路はスターリング冷却庫の壁面を効率よく加熱し発露を防止することが可能である。

上記構成において、放熱側蒸発器内に溜まっている冷媒を前記循環ポンプにて前記放熱側強制循環回路に循環させてもよい。

上記構成において、放熱側蒸発器は、前記放熱側凝縮器と接続し、前記放熱側凝縮器は前記放熱側強制循環回路と接続し、前記放熱側強制循環回路は前記放熱側蒸発器と連結することで、前記放熱側自然循環回路と前記放熱側強制循環回路が直列に閉回路を形成しているものであってもよい。

上記構成において、放熱側凝縮器から前記放熱側強制循環回路に接続する回路に前記放熱側蒸発器より冷媒を導入する回路が合流していてもよい。

上記構成において、放熱側強制循環回路の一部に、ドレン水を蒸発させるためのドレン処理パイプが設けられていてもよい。

前記スターリング冷却庫の被冷却領域として、冷蔵室、冷凍室、チルド室等のスターリング冷凍機の冷熱によって冷却することができる温度域のものを広く採用することができる。また、本発明にかかるスターリング冷却庫として上記の被冷却領域を複数備えているスターリング冷却庫を広く採用することができる。

本発明によると、スターリング冷凍機で発生する熱を利用して効率よく確実に壁面の発露防止することができ、それだけ、スターリング冷却庫の構成部材及び消費エネルギを低減し、効率よく被冷却領域を冷却するスターリング冷却庫を提供することができる。

以下に本発明の実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図１に本発明にかかるスターリング冷却庫の概略配置図を示す。

図１に示すスターリング冷却庫Ａは、スターリング冷凍機１と、スターリング冷凍機１で発生する冷熱を運搬するための冷却側自然循環回路２と、スターリング冷凍機１で発生する熱の一部をスターリング冷却庫Ａの外部に放出する放熱側自然循環回路３と、スターリン冷凍機２で発生した熱のうち放熱側自然循環回路３で放出した残りをスターリング冷却庫Ａの発露防止に用いる放熱側強制循環回路４と、これらを制御する制御装置Ｃｏｎｔとを備えている。

スターリング冷凍機１は内部に設けられたピストンを図示を省略した動力装置を用いて往復運動させることで冷熱及び熱を発生するものであり、冷熱を発生する低温部１１（以下、低温ヘッド１１という）と、外部に対して熱を放出する高温部１２（以下、高温ヘッド１２という）とをそれぞれ備えている。

冷却側自然循環回路２は冷却側凝縮器２１と、冷却側凝縮器２１の下部に設けられた冷却側蒸発器２２と、冷却側冷媒配管２３とを有している。冷却側凝縮器２１は低温ヘッド１１に熱的に密着して取り付けられている。冷却側凝縮器２１はそれには限定されないがここでは、スターリング冷凍機１の低温ヘッド１１に管体を複数回巻きつけたものである。冷却側凝縮器２１と、冷却側蒸発器２２と、冷却側冷媒配管２３はループ状の閉回路になるように接続されており、二次冷媒を封入されてサーモサイホンを形成している。冷却側蒸発器２２の近傍には冷却側蒸発器２２にて冷却される空気を対流させるための冷却ファン２４が備えられている。

冷却側自然循環回路２は以下の手順でスターリング冷凍機１の低温ヘッド１１に発生する冷熱を運搬する。冷却側凝縮器２１内の二次冷媒は低温ヘッド１１の冷熱によって冷却されて液化する。液化した二次冷媒は重力に従って冷却側冷媒配管２３内を流動し冷却側蒸発器２２に流入する。冷却側蒸発器２２に流入した二次冷媒は、冷却側蒸発器２２の周囲の空気により熱せられ（換言すれば、周囲の空気を冷却し）蒸気へと相変化する。蒸気となった二次冷媒は冷却側冷媒配管２３内を流動し冷却側凝縮器２１に流入する。

このとき、蒸気化した二次冷媒は熱せられた蒸気が上昇する現象と、冷却側凝縮器２１にて二次冷媒が凝縮するときの比重の変化に伴う圧力変化によって吸引されて、冷却側冷媒配管２３を上昇する。このような自然循環回路の場合、冷媒を強制的に搬送するためのポンプ等が不要であり、簡単な構造である。

図２に放熱側自然循環回路と放熱側強制循環回路の概略図を示す。放熱側自然循環回路３は、冷却側自然循環回路２と略同様の構成を有している。すなわち、放熱側蒸発器３１と、放熱側蒸発器３１の上部に設けられた放熱側凝縮器３２と、放熱側冷媒配管３３とを有している。放熱側蒸発器３１はスターリング冷凍機１の高温ヘッド１２に熱的に密着して取り付けられている。放熱側蒸発器３１、放熱側凝縮器３２及び放熱側冷媒配管３３はループ状の閉回路になるように接続されており、冷媒が封入されて、ループ状のサーモサイホンを形成している。

放熱側凝縮器３２はスターリング冷却庫Ａの外部の空気と熱交換することで冷媒を凝縮するものであり、スターリング冷却庫Ａの外部空気に触れやすい位置に配置されている。また、放熱側凝縮器３２に外部空気を吹き付けるための送風ファン３４が取り付けられている。

放熱側自然循環回路３は以下の手順でスターリング冷凍機１の高温ヘッド１２に発生する熱をスターリング冷却庫Ａの外部に排熱する。液体の冷媒が高温ヘッド１２に熱的に接続された放熱側蒸発器３１内に溜まっている。スターリング冷凍機１が駆動し高温ヘッド１２が発熱すると、放熱側蒸発器３１内に溜まっている冷媒はその熱を吸収して気化し蒸気となる。蒸気となった冷媒は放熱側冷媒配管３３内を流動し放熱側凝縮器３２に流入する。放熱側凝縮器３２に流入した冷媒は、冷やされ液体に凝縮される。すなわち、冷媒が保持している温熱を外部に放出する。このとき、送風ファン３４が駆動していると、冷たい外部空気を連続して放熱側凝縮器３２に吹き付けることができるので冷媒が凝縮しやすい。液体に凝縮された冷媒は放熱側冷媒配管３３内を流動して放熱側蒸発器３１に流入する。

送風ファン３４にて送られる空気の量が多い場合、空気と凝縮器との熱交換がよくなり、スターリング冷凍機１の高温ヘッド１２の温度を下げることが可能である。また、空気の量が少ない場合は空気と凝縮器との熱交換が悪くなり、高温ヘッド１２の温度は高くななり、スターリング冷凍機のＣＯＰは低くなる。

図１及び図２に示すように放熱側強制循環回路４は、強制循環配管４１と、循環ポンプ４２と、ドレン処理パイプ４３と、発露防止パイプ４４とを有している。強制循環配管４１は両端部で放熱側蒸発器３１と連結しており、強制循環配管４１内部を放熱側蒸発器３１に溜まっている高温の冷媒が流動する。強制循環配管４１の両端部は一方の端部に冷媒を吸入する吸入口４１１を、他方の端部に流動した冷媒を放熱側蒸発器３１に排出する排出口４１２を有している（図２参照）。吸入口４１１は放熱側蒸発器３１の内部に溜まっている冷媒の液面よりも常に低い位置になるように配置されている。吸入口４１１をこのように配置することで常に液体状の冷媒を吸入することができる。

強制循環配管４は吸入口４１１、循環ポンプ４２、ドレン処理パイプ４３、発露防止パイプ４４及び排出口４１２がこの順番に配置されている。循環ポンプ４２、ドレン処理パイプ４３及び発露防止パイプ４４の配置の順番は必ずしもこの順番でなくてもよい。

循環ポンプ４２は放熱側蒸発器３１内部に溜まっている冷媒を放熱側強制循環回路４内部に循環させるものである。循環ポンプ４２として、それには限定されないがここでは、圧電ポンプを採用している。

放熱側強制循環回路４は以下の手順で内部に冷媒を循環させる。まず、循環ポンプ４２を駆動して、放熱側蒸発器３１内部の冷媒を吸入口４１１より吸入する。このとき冷媒はスターリング冷凍機１の高温ヘッド１２にて加熱された高温の液体である。高温の冷媒は強制循環配管４１を流動しドレン処理パイプ４３に流入する。ドレン処理パイプ４３に流入した冷媒はドレン受けに溜まっているドレン水に熱を放出しながら流動して発露防止パイプ４４に流入する。発露防止パイプ４４を流動する冷媒はスターリング冷却庫Ａの壁面５（後述の図３参照）に対して熱を放出し、壁面５を加熱すると共に冷媒は熱を奪われ冷却される。その後冷媒は排出口４１２より放熱側蒸発器３１内部に戻る。

循環ポンプ４２を駆動している間は放熱側蒸発器３１内の冷媒が少なくなっており、高温ヘッド２２の温度は上昇し、循環ポンプ４２の動作を停止すると放熱側蒸発器３１内の冷媒の量が多くなるので高温ヘッド２２の温度が下降する。

スターリング冷却庫Ａの壁面５には周囲の温度及び湿度を測定する周囲温度センサ５１１と周囲湿度センサ５１２を有する露点温度検出部５１が設けられている。また、露点温度検出部５１が設けられている部分の近傍に壁面の温度を測定する壁面温度センサ５２が設けられている。高温ヘッドに高温ヘッド温度センサ１２１が設けられている。

制御装置Ｃｏｎｔはスターリング冷凍機１、冷却ファン２４、送風ファン３４及び循環ポンプ４２の動作を制御するものである。図１に示す制御装置Ｃｏｎｔは周囲温度センサ５１１と周囲湿度センサ５１２とを有する露点温度検出部５１を接続している。また、壁面５の温度を測定する壁面温度センサ５２、高温ヘッド温度センサ１２１とも接続している。また、制御装置Ｃｏｎｔは送風ファン３４、スターリング冷却庫Ａ、冷却ファン２４及び循環ポンプ４２と接続している。

図３に本発明にかかるスターリング冷却庫の概略断面図を示す。図３に示すスターリング冷却庫Ａは壁面５に放熱側強制循環回路４の発露防止パイプ４４が埋め込まれている。また、スターリング冷却庫Ａの底面部にはドレン水を溜めておくドレン受け部６が備えられており、スターリング冷却庫Ａの底面内部にはドレン水処理パイプ４３が配置されており、ドレン水処理パイプ４３に高温の冷媒が流動することでドレン受け部６内のドレン水は蒸発する。図３に示すスターリング冷却庫Ａは被冷却領域が１個のものを例に説明しているが、複数の被冷却領域を有していてもよい。このとき、複数の被冷却領域は全て同じ温度に冷却されてもよく、異なる温度に冷却されてもよい。

図４に本発明にかかるスターリング冷却庫の動作の一例のフローチャートを示す。図４に示すスターリング冷却庫Ａの動作においては、既にスターリング冷凍機１は駆動している。壁面５が発露しない温度差範囲は最大値Ｔｍａｘ、最小値Ｔｍｉｎと予め設定する（ステップＳ１）。まず、壁面５に設けられた露点温度検出部５１の周囲温度センサ５１１と周囲湿度センサ５１２にて温度及び湿度を測定する（ステップＳ２）。ステップＳ２にて測定した周囲温度と湿度をもとに露点温度Ｔｖを算出する（ステップＳ３）。壁面５に設けられた壁面温度センサ５２にて壁面の温度を測定する（ステップＳ４）。

ステップＳ３にて算出された露点温度ＴｖとステップＳ４にて測定された壁面温度Ｔｈの尾温度差Ｔａ（Ｔｖ−Ｔｈの絶対値）を算出し、温度差Ｔａが予め設定されている温度差範囲の最大Ｔｍａｘよりも大きいかどうか判別する（ステップＳ５）。ステップＳ５で温度差が温度差範囲の最大Ｔｍａｘよりも大きい場合（ステップＳ５でＹＥＳの場合）、送風ファン３４の風量を大きくする（ステップＳ５１）。送風ファン３４の風量を大きくすることで放熱側自然循環回路３で冷媒を十分に冷却し、温度の下がった液体状の冷媒を放熱側強制循環回路４に循環させることで発露防止パイプ４４による壁面５の加熱を抑えることができる。

送風ファン３４の風量を大きくした後、温度差Ｔａが温度差範囲の最大Ｔｍａｘよりも大きいかどうか判別する（ステップＳ５２）。温度差Ｔａが最大値Ｔｍａｘよりも大きい場合(ステップＳ５２でＹＥＳの場合)、循環ポンプ４２が動作しているかどうか判別し（ステップＳ５３）、動作している場合（ステップＳ５３でＹＥＳの場合）は循環ポンプ４２の動作を止め、液体状の冷媒が発露防止パイプ４４に流入するのを抑制する（ステップＳ５４）。ステップＳ５４で循環ポンプ４２を停止した後又はステップＳ５３で循環ポンプ４２が停止していると判定した場合（ステップＳ５３でＮＯの場合）、ステップＳ５の手前に戻る。ステップＳ５にて温度差Ｔａが最大値Ｔｍａｘよりも小さい場合（ステップＳ５でＮＯの場合）、送風ファン３４の風量が通常運転時の風量に、循環ポンプ４２の出力が通常運転時の出力になるように調整する（ステップＳ５５）。

ステップＳ５５で送風ファン３４及び循環ポンプ４２を調整した後、温度差Ｔａが温度差範囲の最小値Ｔｍｉｎよりも小さいかどうか判別する（ステップＳ６）。温度差Ｔａが最小値Ｔｍｉｎよりも小さい場合（ステップＳ６でＹＥＳの場合）、送風ファン３４が停止しているかどうか（風量が０かどうか）判別する（ステップＳ７）。送風ファン３４が停止していない場合（ステップＳ７でＮＯの場合）、送風ファン３４の風量を減らす(ステップＳ８)。送風ファン３４の風量を減らすことで放熱側自然循環回路３内での冷媒と外部空気との間で交換される熱が減るので、スターリング冷凍機１の高温ヘッド１２の温度が上がり、冷媒の温度が上昇する。このとき、スターリング冷凍機１の入力を上げる必要がある。

送風ファン３４が停止している場合（ステップＳ７でＹＥＳの場合）又は送風ファン３４の風量を減らした後ステップＳ７の手前に戻る。ステップＳ６にて温度差Ｔａが最小値Ｔｍｉｎよりも大きい場合（ステップＳ６でＮＯの場合）、送風ファン３４の風量が通常運転時の風量になるように調整し（ステップＳ９）、ステップＳ２の手前に戻る。

以上の手順でスターリング冷却庫Ａが稼動している間、壁面５に発露するのを防止することが可能である。

図５に本発明にかかるスターリング冷却庫の他の例の概略配置図を示す。図５に示すスターリング冷却庫Ｂは、図１に示すスターリング冷却庫Ａと比較して、放熱側自然循環回路と放熱側強制循環回路が異なっている以外は同一であり、実質上同一の部分には同一の符号が付してある。

図５に示すスターリング冷却庫Ｂは、スターリング冷凍機１の高温ヘッド１２に熱的に密着されている放熱側蒸発器３１ｂから放熱側凝縮器３２ｂに蒸気が流動する放熱側蒸気配管３３ｂが接続している。また、放熱側凝縮器３２ｂと放熱側強制循環回路４ｂの強制循環配管４１ｂは直接接続されている。放熱側凝縮器３２ｂにて凝縮された冷媒は放熱側蒸発器３１ｂに戻ることなく直接強制循環配管４１ｂに流入する。また、強制循環配管４１ｂは放熱側蒸発器３１ｂから直接液状の冷媒を吸入することができる吸入配管４５ｂを備えており、放熱側凝縮器３２ｂからの配管と途中で合流するように設けられている。

循環ポンプ４２ｂを駆動することで、放熱側凝縮器３２ｂより流入する冷媒と、吸入配管４５ｂを介して放熱側蒸発器３１ｂに溜まっている冷媒を強制循環配管４１ｂ内に循環させることができる。強制循環配管４１ｂ内を流動する冷媒は、ドレン処理パイプ４３ｂ内を流動しドレン受け部６内のドレン水に温熱の一部を渡す。その後、発露防止パイプ４４ｂ内を流動し、スターリング冷却庫Ｂの壁面を加熱し壁面が発露するのを防ぐ。また、送風ファン３４ｂと循環ポンプ４２ｂの動作は図４のフローチャートに示した手順と同じ手順で動作する。

図６に本発明にかかるスターリング冷却庫のさらに他の例の概略配置図を示す。図６に示すスターリング冷却庫Ｃは、図１に示すスターリング冷却庫Ａと比較して、放熱側自然循環回路と放熱側強制循環回路が異なっている以外は同一であり、実質上同一の部分には同一の符号が付してある。

図６に示すように、スターリング冷却庫Ｃでは放熱側自然循環回路３ｃと放熱側強制循環回路４ｃが異なる閉回路で形成されている。放熱側自然循環回路３ｃはスターリング冷凍機１の高温ヘッド１２に取り付けられた放熱側蒸発器３１ｃと、放熱側蒸発器３１ｃの上部に配置された放熱側凝縮器３２ｃと、放熱側蒸発器３１ｃと放熱側凝縮器３２ｃを接続する２本の放熱側冷媒配管３３ｃとを有しており、内部に冷媒を封入して閉回路を形成している。

放熱側強制循環回路４ｃには内部に放熱側自然循環回路３ｃとは異なる冷媒が封入されている。放熱側強制循環回路４ｃはスターリング冷凍機１の高温ヘッド１２に取り付けられた液溜め部４０ｃと、強制循環配管４１ｃと、循環ポンプ４２ｃと、ドレン処理パイプ４３ｃと、発露防止パイプ４４ｃとを有し、閉回路を構成している。強制循環配管４１ｃは両端部で液溜め部４０ｃと連結しており、強制循環配管４１ｃ内部を液溜め部４０ｃに溜まっている高温の冷媒が流動する。

強制循環配管４ｃでは循環ポンプ４２ｃ、ドレン処理パイプ４３ｃ及び発露防止パイプ４４ｃがこの順番に配置されている。循環ポンプ４２ｃ、ドレン処理パイプ４３ｃ及び発露防止パイプ４４ｃの配置の順番は必ずしもこの順番でなくてもよい。

放熱側強制循環回路４ｃは放熱側自然循環回路３ｃと異なる閉回路を構成しており、放熱側蒸発器３１ｃに溜まっている液体状の冷媒の量に影響されずに、高温の冷媒をドレン処理パイプ４３ｃ、発露防止パイプ４４ｃに供給することが可能である。放熱側強制循環回路４ｃに封入される冷媒は放熱側自然循環回路３ｃに使われている冷媒と同じ材質からなるものであってもよく、異なる材質であってもよい。放熱側強制循環回路４ｃを流動する冷媒は液体で循環するので常に液体の状態であるものが好ましく、放熱側自然循環回路３ｃ内に封入された冷媒に比べて沸点の高い冷媒であることが好ましい。また、放熱側強制循環回路４ｃの内部の圧力を放熱側自然循環回路３ｃよりも高くすることもできる。圧力を高くすることで、冷媒の沸騰する温度を上げることができる。

上述の各実施例の前記被冷却領域として、冷蔵室、冷凍室、チルド室等、スターリング冷凍機の冷熱によって冷却することができる温度域のものを広く採用することができる。また、上述の各実施例において、壁面温度センサ５２は、外壁面、内壁面いずれに取り付けられていてもよい。また、外壁内部に埋め込まれていてもよい。

本発明にかかるスターリング冷却庫の概略配置図である。 図１に示すスターリング冷却庫の放熱側自然循環回路と放熱側強制循環回路の概略図である。 本発明にかかるスターリング冷却庫の概略断面図である。 本発明にかかるスターリング冷却庫の動作の一例のフローチャートである。 本発明にかかるスターリング冷却庫の他の例の概略配置図である。 本発明にかかるスターリング冷却庫のさらに他の例の概略配置図である。 スターリング冷却庫の概略配置図である。

符号の説明

Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ スターリング冷却庫
１ スターリング冷凍機
１１ 低温ヘッド
１２ 高温ヘッド
２ 冷却側自然循環回路
２１ 冷却側凝縮器
２２ 冷却側蒸発器
２３ 冷却側冷媒配管
２４ 冷却ファン
３ 放熱側自然循環回路
３１ 放熱側蒸発器
３２ 放熱側凝縮器
３３ 放熱側冷媒配管
３４ 送風ファン
４ 放熱側強制循環回路
４１ 強制循環配管
４２ 循環ポンプ
４３ ドレン処理パイプ
４４ 発露防止パイプ
５ 壁面
５１ 露点温度検出部
５１１ 周囲温度センサ
５１２ 周囲湿度センサ
５２ 壁面温度センサ

Claims (8)

1. スターリング冷凍機にて被冷却領域の冷却を行うスターリング冷却庫において、
   前記スターリング冷凍機の高温部の温熱を庫外に放出する放熱側自然循環回路と、
   スターリング冷却庫の外壁面に前記高温部の熱を与える放熱側強制循環回路と、
   前記スターリング冷却庫を制御する制御装置を有しており、
   前記制御装置は前記スターリング冷却庫の壁面温度と外部の露点温度の温度差に応じて前記高温部の温度を調節することを特徴とするスターリング冷却庫。
2. 前記放熱側自然循環回路は外部に熱を放出する凝縮器と、該凝縮器に対して空気を送る送風ファンを備えており、
   前記制御装置は前記温度差が予め決められた値域の下限値よりも小さいときは前記送風ファンの風量を減らして前記高温部の温度を上げる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。
3. 前記放熱側自然循環回路は外部に熱を放出する凝縮器と、該凝縮器に対して空気を送る送風ファンとを備えており、
   前記制御装置は前記温度差が前記値域の上限値よりも大きいときは前記送風ファンの風量を増やして前記高温部の温度を下げることを特徴とする請求項１又は２に記載のスターリング冷却庫。
4. 前記放熱側強制循環回路は該回路内に強制的に冷媒を循環させるための循環ポンプを有しており、
   前記送風ファンの風量が通常の風量であり前記温度差が前記値域の上限値よりも大きいときは前記循環ポンプの流量を減らすか又は止めることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載のスターリング冷却庫。
5. 前記放熱側自然循環回路と前記放熱側強制循環回路は異なる閉回路を構成し、異なる冷媒が封入されていることを特徴とする請求項１から請求項４に記載のスターリング冷却庫。
6. 前記凝縮器は前記放熱側強制循環回路と接続し、前記発露防止循環回路は前記蒸発器と連結することで、前記放熱側自然循環回路と前記放熱側強制循環回路が直列に閉回路を形成していることを特徴とする請求項１から請求項４に記載のスターリング冷却庫。
7. 前記凝縮器から前記放熱側強制循環回路に接続する回路に前記蒸発器より冷媒を導入する回路が合流していることを特徴とする請求項６に記載のスターリング冷却庫。
8. 前記放熱側強制循環回路の一部に、ドレン水を蒸発させるためのドレン処理パイプが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のスターリング冷却庫。

Images