JP2005321148A - 冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 スターリング冷凍機の配置に関する設計自由度が高く、且つ、ＣＯＰの高い領域での運転の割合を多くできる冷却庫を提供する。
【解決手段】 冷却庫１は断熱構造の筐体１０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、ここに第１スターリング冷凍機１００Ａと第２スターリング冷凍機１００Ｂが設置される。第１スターリング冷凍機１００Ａの吸熱部１４１Ａは二次冷媒回路５０Ａを介し、第２スターリング冷凍機１００Ｂの吸熱部１４１Ｂは二次冷媒回路５０Ｂを介し、それぞれ庫内の共用冷却器５１に接続される。制御部６０は第１スターリング冷凍機１００Ａと第２スターリング冷凍機１００Ｂを個別に運転制御して必要な冷却能力を得る。
【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。特許文献２には、スターリング冷凍機を複数台配備した冷却庫が記載されている。
特開平３−３６４６８号公報（第３−５頁、図１） 特開２０００−１３０８７５号公報（第３−５頁、図１−１０）

特許文献１、２に記載された冷却庫はいずれも、スターリング冷凍機の吸熱部と庫内空気との間で直接熱交換を行う構造になっている。そのため、スターリング冷凍機の配置場所が限定され、設計自由度が低い。本発明はこの点に鑑みなされたものであり、スターリング冷凍機により庫内の冷却を行う冷却庫において、スターリング冷凍機の配置に関する設計自由度が高く、且つ、ＣＯＰ（Coefficient of Performance：成績係数）の高い領域での運転の割合を多くできる冷却庫構造と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）スターリング冷凍機により庫内を冷却する冷却庫であって、複数のスターリング冷凍機で一つの冷却器を冷却する二次冷媒回路を備えて成るものとする。前記一つの冷却器とは、同じ部分を冷却する冷却器の事であり、別体の冷却器を一体化あるいは併設したものも含まれる。

（２）二次冷媒の流れを遮断できる制御弁をスターリング冷凍機毎に前記二次冷媒回路に設ける。

（３）前記複数のスターリング冷凍機の制御を司る制御装置を備え、この制御装置はスターリング冷凍機別の累計運転時間が平均化するように運転制御を行う。

（４）前記複数のスターリング冷凍機の制御を司る制御装置を備え、この制御装置は一つのスターリング冷凍機を必要冷凍能力に応じて能力可変運転すると共に他のスターリング冷凍機を高ＣＯＰ（成績係数）運転するように制御する。

（１）スターリング冷凍機の吸熱部は二次冷媒回路を介して冷却器に接続するから、庫内空気との熱交換の箇所から離れた箇所にスターリング冷凍機を配置することができ、設計の自由度が広がる。また複数のスターリング冷凍機で一つの冷却器を冷却するようにしたから、冷却器の冷却能力範囲が拡大する。これにより、状況に応じた最適冷却能力で運転することが可能になる。

（２）二次冷媒の流れを遮断できる制御弁をスターリング冷凍機毎に二次冷媒回路に設けたから、使用しないこととしたスターリング冷凍機に対する二次冷媒の循環を完全に断ち切り、使用することとしたスターリング冷凍機に二次冷媒の循環を集中させて、効率の良い熱交換を行うことができる。

（３）スターリング冷凍機別の累計運転時間が平均化するように運転制御を行うから、特定のスターリング冷凍機のみ長時間使用されて早く寿命を迎えるということがない。

（４）最大冷却能力を必要としない場合は、一つのスターリング冷凍機を必要冷凍能力に応じて能力可変運転すると共に他のスターリング冷凍機を高ＣＯＰ（成績係数）運転することにより、必要冷凍能力の大半を高ＣＯＰ運転で賄うことができ、省エネルギー運転に結びつけることができる。

以下、本発明の第１実施形態を図１〜６に基づき説明する。図１は冷却庫の部分垂直断面図、図２はスターリング冷凍機と二次冷媒回路との組み合わせ構成図、図３〜５はスターリング冷凍機の運転パターンの例を示す第１〜第３のシーケンスチャート、図６はＣＯＰとストロークとの関係を示すグラフである。

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の内部は水平仕切壁１１によって上下２段に仕切られており、上段が冷蔵室１２、下段が冷凍室１３となる。冷蔵室１２、冷凍室１３共に正面（図１において左側）は食品を出し入れするための開口部となっており、この開口部を扉１４、１５が閉ざす。扉１４、１５も断熱構造である。冷蔵室１２の内部には複数の棚板１６が設けられている。

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、その中に第１スターリング冷凍機１００Ａと第２スターリング冷凍機１００Ｂが設置される。第１スターリング冷凍機１００Ａと第２スターリング冷凍機１００Ｂは個々に架台３１で支持される。

図２に見られるように、第１スターリング冷凍機１００Ａは放熱部１４０Ａと吸熱部１４１Ａを備え、第２スターリング冷凍機１００Ｂは放熱部１４０Ｂと吸熱部１４１Ｂを備える。放熱部１４０Ａには二次冷媒回路４０Ａが組み合わせられ、吸熱部１４１Ａには二次冷媒回路５０Ａが組み合わせられる。放熱部１４０Ｂには二次冷媒回路４０Ｂが組み合わせられ、吸熱部１４１Ｂには二次冷媒回路５０Ｂが組み合わせられる。

二次冷媒回路４０Ａ、４０Ｂ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１４０Ａ、１４０Ｂを取り巻き、他の一部は第１スターリング冷凍機１００Ａの圧力容器１５０Ａ及び第２スターリング冷凍機１００Ｂの圧力容器１５０Ｂの上に延び出す。圧力容器１５０Ａ、１５０Ｂの上に延び出した部分に、多数の放熱フィン４２Ａ、４２Ｂを並べた放熱器４１Ａ、４１Ｂが取り付けられている。放熱フィン４２Ａ、４２Ｂも熱伝導の良い金属からなる。二次冷媒回路４０Ａ、４０Ｂ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５０Ａ、５０Ｂ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、内部にはＣＯ₂などの二次冷媒が密封されている。二次冷媒回路５０Ａ、５０Ｂの一部は吸熱部１４１Ａ、１４１Ｂ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ところで二次冷媒回路５０Ａ、５０Ｂは合流する。すなわち筐体１０内の共用冷却器５１に対し、二次冷媒回路５０Ａ、５０Ｂは共通のパイプを通じて二次冷媒を送り込み、また共通のパイプを通じて二次冷媒を回収する。

共用冷却器５１は多数の冷却フィン５２を並べた構造である。冷却フィン５２も熱伝導の良い金属からなる。

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４１Ａ、４１Ｂが入れられる。放熱器４１Ａ、４１Ｂ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の内部には、背面側の内壁に沿って垂直方向に延びるダクト１７、１８が設けられる。ダクト１７は奥側に位置し、ダクト１８はその手前側に位置する。ダクト１７は冷蔵室１２の途中までの高さで終わるが、ダクト１８は冷蔵室１２の天井まで続く。

ダクト１７の下端には冷凍室１３から庫内空気を吸い込む吸気口１９が設けられ、その上方にはダクト１８に空気を吹き出す送風機２０が設けられる。送風機２０は送風機３７と同様の構造である。吸気口１９と送風機２０の間に共用冷却器５１が設置される。

送風機２０を運転すると、ダクト１７の下端の吸気口１９から冷凍室１３内の空気が吸い込まれる。吸い込まれた空気は共用冷却器５１を通る間に冷却されて冷気となる。冷気は送風機２０によりダクト１８に吹き込まれ、ダクト１８の上方部分（水平仕切壁１１より上の部分）に設けられた吹出口２１を通じて冷蔵室１２に、またダクト１８の下方部分（水平仕切壁１１より下の部分）に設けられた吹出口２２を通じて冷凍室１３に、それぞれ送り込まれる。ダクト１８の内部に送風機２０を挟むように配置されたダンパ２３、２４が吹出口２１、２２からの冷気吹出量を調節する。なお冷蔵室１２内の空気は図示しない戻りダクトを通じて吸込口１９に戻される。

冷却庫１は図２に示す制御部６０によって制御される。続いて冷却庫１の動作を説明する。

第１スターリング冷凍機１００Ａ及び第２スターリング冷凍機１００Ｂが駆動されると、放熱部１４０Ａ、１４０Ｂは温度が上昇し、吸熱部１４１Ａ、１４１Ｂは温度が低下する。

高温側の二次冷媒回路４０Ａ、４０Ｂ内の二次冷媒は放熱部１４０Ａ、１４０Ｂの熱により気化し、放熱器４１Ａ、４１Ｂに熱を伝達する。第１スターリング冷凍機１００Ａ及び第２スターリング冷凍機１００Ｂの運転と共に送風機３７が駆動される。これにより、通風経路３４から放熱器４１Ａ、４１Ｂ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。この強制空冷気流により、放熱器４１Ａ、４１Ｂの熱は速やかに大気中に放散される。二次冷媒は放熱器４１Ａ、４１Ｂで熱を奪われて凝縮し、重力によって放熱部１４０Ａ、１４０Ｂのレベルまで流下する。このように二次冷媒回路４０Ａ、４０Ｂ内の二次冷媒は気化と凝縮を繰り返して循環し、放熱部１４０Ａ、１４０Ｂの熱を放熱器４１Ａ、４１Ｂに伝達する。

低温側の二次冷媒回路５０Ａ、５０Ｂ内の二次冷媒は吸熱部１４１Ａ、１４１Ｂの冷熱により凝縮して流下する。共用冷却器５１の手前で二次冷媒回路５０Ａ、５０Ｂは合流し、双方の二次冷媒は混じり合って共用冷却器５１に流れ込む。共用冷却器５１を通る二次冷媒の循環が開始されると共に送風機２０の運転も開始される。これにより、吸気口１９から共用冷却器５１を経てダクト１８に抜ける空気流が形成される。共用冷却器５１を通過するとき、空気は熱を奪われて冷気となる。逆に共用冷却器５１の中の二次冷媒は空気から熱を与えられて気化する。気化した二次冷媒は共通のパイプの中を上昇した後、二次冷媒回路５０Ａと５０Ｂに分かれて吸熱部１４１Ａ、１４１Ｂのレベルまで上昇する。このように二次冷媒回路５０Ａ、５０Ｂ内の二次冷媒は凝縮と気化を繰り返して循環し、吸熱部１４１Ａ、１４１Ｂの冷熱を共用冷却器５１に伝達する。

ダクト１８内に送り込まれた冷気は吹出口２１、２２から吹き出し、冷蔵室１２と冷凍室１３を冷却する。このようにして冷蔵室１２と冷凍室１３はそれぞれ所定の温度に冷却される。

冷却庫１の冷熱源はスターリング冷凍機なので、コンプレッサを用いた冷凍サイクルよりも低温域で高い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。−３０゜Ｃ以下の低温で保存すれば、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、保存可能期間を３倍以上に延ばすことができる。

第１スターリング冷凍機１００Ａの吸熱部１４１Ａと第２スターリング冷凍機１００Ｂの吸熱部１４１Ｂは二次冷媒回路５０Ａ、５０Ｂを介して共用冷却器５１に接続するから、庫内空気との熱交換の箇所から離れた箇所にスターリング冷凍機を配置することができ、設計の自由度が広がる。また共用冷却器５１は第１スターリング冷凍機１００Ａと第２スターリング冷凍機１００Ｂの両方から冷熱を受け取るので冷却能力が大きなものとなる。

さて、冷却庫１に求められる冷却能力は、雰囲気（外気）温度や中に入れる食品の量や冷凍食品の割合が多いか少ないかによって必要冷凍能力が異なる。制御部６０は第１スターリング冷凍機１００Ａと第２スターリング冷凍機１００Ｂを個別に運転制御することにより冷却能力の調節を行う。その運転パターンのイメージを図３〜５に示す。

図３は「冷却能力小」で使用する場合である。第２スターリング冷凍機１００ＢはＯＦＦのままで、第１スターリング冷凍機１００ＡのみＯＮとＯＦＦを繰り返す（あるいは必要冷凍能力に応じるべく、ＰＩＤ〈Proportion,Integration,Differentiation〉制御により冷凍能力を変える）。

図４は「冷却能力中」で使用する場合である。第２スターリング冷凍機１００Ｂが連続してＯＮである一方、第１スターリング冷凍機１００ＡはＯＮとＯＦＦを繰り返す（あるいは必要冷凍能力に応じるべく、ＰＩＤ制御により冷凍能力を変える）。

図５は「冷却能力大」で使用する場合である。第１スターリング冷凍機１００Ａも第２スターリング冷凍機１００Ｂも両方ともＯＮとなる。

制御部６０は上記の第１スターリング冷凍機１００Ａと第２スターリング冷凍機１００Ｂの役割を適宜入れ替え、スターリング冷凍機別の累計運転時間が平均化するように運転制御を行う。そのため、第１スターリング冷凍機１００Ａと第２スターリング冷凍機１００Ｂの一方のみ長時間使用されて早く寿命を迎えるということがない。

また最大冷却能力を必要としない場合など、第１スターリング冷凍機１００Ａと第２スターリング冷凍機１００Ｂのうちで連続的に運転する方のみ高ＣＯＰ運転し、他方はその補完に徹するように（必要冷凍能力を賄うように）ＯＮ／ＯＦＦ運転あるいは必要冷凍能力に応じるべく、ＰＩＤ制御により冷凍能力可変運転を行うことにより、必要冷凍能力の大半を高ＣＯＰ運転で賄うことができ、省エネルギー運転に結びつけることができる。

前記の高ＣＯＰ運転とは、図６のグラフに示す如く、スターリング冷凍機のピストン・ストロークによってＣＯＰが異なることに鑑み、ＣＯＰの高いピストン・ストロークで運転することにより省エネルギーの運転を行うことであり、冷凍能力は最高冷凍能力より低くなる。尚、図６のグラフにおけるＣＯＰのピークはスターリング冷凍機の吸熱部温度及び放熱部温度の少なくとも一方が変化すると移動する。そこで、吸熱部温度と放熱部温度をパラメータとするＣＯＰがピークとなるピストン・ストローク値をデータテーブル化して、吸熱部温度と放熱部温度を検知することにより前記データテーブルを参照してＣＯＰがピークとなるピストン・ストローク値でスターリング冷凍機を運転するよう制御すれば良い。

本発明の第２実施形態を図７に示す。図７はスターリング冷凍機と二次冷媒回路との組み合わせ構成図である。

第１実施形態の場合、第１スターリング冷凍機１００Ａと第２スターリング冷凍機１００Ｂの一方のみ運転し、他方の運転を停止する場合、運転側の二次冷媒回路のみに流れるべき二次冷媒が一部運転停止側の二次冷媒回路に流れることを止められなかった。運転を停止している、すなわち熱交換を行わない側の二次冷媒回路に二次冷媒を流しても何の役にも立たないばかりか、却って運転効率が低下する。そこで第２実施形態では、二次冷媒回路５０Ａに制御弁７０Ａ、二次冷媒回路５０Ｂに制御弁７０Ｂをそれぞれ設け、運転しない側の二次冷媒回路については二次冷媒の流れを遮断できるようにした。これにより、使用しないこととしたスターリング冷凍機に対する二次冷媒の循環を完全に打ち切り、使用することとしたスターリング冷凍機に二次冷媒の循環を集中させて、効率の良い熱交換を行うことができる。

以上、本発明の各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 スターリング冷凍機と二次冷媒回路との組み合わせ構成図 スターリング冷凍機の運転パターンの例を示す第１のシーケンスチャート スターリング冷凍機の運転パターンの例を示す第２のシーケンスチャート スターリング冷凍機の運転パターンの例を示す第３のシーケンスチャート ＣＯＰとストロークとの関係を示すグラフ 第２実施形態に係るスターリング冷凍機と二次冷媒回路の組み合わせ構成図

符号の説明

１ 冷却庫
１０ 筐体
１２ 冷蔵室
１３ 冷凍室
３０ 冷凍機収納凹所
４１Ａ、４１Ｂ 放熱器
５１ 共用冷却器
６０ 制御装置
１００Ａ 第１スターリング冷凍機
１００Ｂ 第２スターリング冷凍機
１４０Ａ、１４０Ｂ 放熱部
１４１Ａ、１４１Ｂ 吸熱部
４０Ａ、４０Ｂ （高温側）二次冷媒回路
５０Ａ、５０Ｂ （低温側）二次冷媒回路
７０Ａ、７０Ｂ 制御弁

Claims (4)

1. スターリング冷凍機により庫内を冷却する冷却庫であって、複数のスターリング冷凍機で一つの冷却器を冷却する二次冷媒回路を備えて成ることを特徴とする冷却庫。
2. 二次冷媒の流れを遮断できる制御弁をスターリング冷凍機毎に前記二次冷媒回路に設けることを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
3. 前記複数のスターリング冷凍機の制御を司る制御装置を備え、この制御装置はスターリング冷凍機別の累計運転時間が平均化するように運転制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却庫。
4. 前記複数のスターリング冷凍機の制御を司る制御装置を備え、この制御装置は一つのスターリング冷凍機を必要冷凍能力に応じて能力可変運転すると共に他のスターリング冷凍機を高ＣＯＰ（成績係数）運転することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却庫。

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