JP2007024418A

JP2007024418A - スターリング冷却庫

Info

Publication number: JP2007024418A
Application number: JP2005208661A
Authority: JP
Inventors: Keiji Fujiwara; 啓司藤原; Tsuneyoshi Cho; 張　　恒良
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】振動、騒音およびキャビテーションの発生を抑制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１４によって庫内を冷却するスターリング冷却庫１００において、スターリング冷凍機１４の高温部１８に設けられ、冷媒Ａが蒸発することにより高温部１８を冷却する蒸発器１６と、蒸発器１６で蒸発した冷媒Ａを凝縮器１５に導き凝縮器１５で凝縮した冷媒Ａを蒸発器１６に導く第１の冷媒循環回路１０１と、蒸発器１６の液相冷媒を加熱対象部に循環させる第２の冷媒循環回路１０２と、第２の冷媒循環回路１０に設置され、液相媒体を強制循環させるポンプ２０と、ポンプ２０を駆動制御する制御手段２１とを備え、ポンプ２０の起動時に定格出力より低い出力で所定時間駆動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電ポンプを備えたスターリング冷却庫に関する。

従来から圧電ポンプを備えたスターリング冷却庫が知られており、たとえば、特開２０００−２０５６８２号公報に記載されている。この特開２０００−２０５６８２号公報に記載されたスターリング冷却庫は、放熱部を有するスターリング冷凍機と、放熱部に設けられた熱媒体用ジャケットと、この熱媒体用ジャケットに接続され熱媒体が循環する配管と、配管内に熱媒体を循環させるポンプとを備えている。
特開２０００−２０５６８２号公報

このように構成された従来のスターリング冷却庫においては、ポンプの駆動には、通常の家庭用電源が用いられている。この家庭用電源は、電圧が１００Ｖとされており、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電流とされている。そして、ポンプの駆動時には、ポンプにこの家庭用電源から電気を供給する。この際、ポンプの駆動時に家庭用電源からの電流をそのまま供給しており、ポンプが急激に高出力で駆動する。このため、ポンプから吐出される熱媒体は、高圧力なものとなる。このように、配管内を局部的に高圧の熱媒体が循環すると、高圧力の熱媒体が配管の壁面と当たり、振動や騒音が発生する。さらに、駆動時にポンプを急に高出力で駆動すると、ポンプ内で気泡が発生し、キャビテーションが生じるという問題がある。

この発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ポンプに供給する交流電流の電圧や周波数を漸次高めることにより、振動、騒音およびキャビテーションの発生が抑制されたスターリング冷却庫を提供することである。

本発明に係るスターリング冷却庫は、１つの局面では、スターリング冷凍機によって庫内を冷却するスターリング冷却庫において、スターリング冷凍機の高温部に設けられ、冷媒が蒸発することにより高温部を冷却する蒸発器と、蒸発器で蒸発した冷媒を凝縮器に導き凝縮器で凝縮した冷媒を蒸発器に導く第１の冷媒循環回路と、蒸発器の液相冷媒を加熱対象部に循環させる第２の冷媒循環回路と、第２の冷媒循環回路に設置され、液相を強制循環させるポンプと、ポンプを駆動制御する制御手段とを備え、ポンプの起動時に定格出力より低い出力で所定時間駆動させる。好ましくは、上記ポンプが、圧電ポンプである。好ましくは、上記出力がポンプを駆動する電圧である。

本発明に係るスターリング冷却庫によれば、振動、騒音およびキャビテーションの発生を抑制することができる。

図１から図６を用いて、本発明に係る実施の形態について、説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係るスターリング冷却庫１００の概略構成を示す斜視図である。この図１に示されるように、スターリング冷却庫１００は、冷蔵収納物を収納する冷蔵室１１と、冷凍対象物を収納する冷凍室１２と、冷蔵室１１と冷凍室１２とを区画し断熱材から構成されたキャビネット１０と、機械室１３とを備えている。機械室１３内には、冷却部１７と放熱部１８とを有するスターリング冷凍機１４と、放熱部１８に設けられた蒸発器１６と、蒸発器１６と連結された凝縮器１５とが配置されている。そして、このスターリング冷却庫１００は、第１冷媒循環回路１０１と、第２冷媒循環回路１０２とを備えている。

第１冷媒循環回路１０１は、蒸発器１６と、蒸発器１６と凝縮器１５との間に接続され、気体状の熱媒体Ａが流通する配管１９と、凝縮器１５と、凝縮器１５内で冷却された熱媒体Ａが流通し、蒸発器１６と凝縮器１５との間に接続された配管１９とを備えている。

そして、第２冷媒循環回路１０２は、蒸発器１６と、底部発露防止パイプ２６と、発露防止パイプ２２と、熱媒体Ａを強制循環させる圧電ポンプ（ポンプ）２０とを備えている。そして、発露防止パイプ２２は、主に冷蔵室１１のドアパッキン当接部およびその近傍に配置された冷蔵室用発露防止パイプ２３と、主に冷凍室１２のドアパッキン当接部およびその近傍に配置された冷凍室用発露防止パイプ２４とを備えている。蒸発器１６と、スターリング冷却庫１００の底面側に配置された圧電ポンプ２０との間には、上下方向に延在する配管２５が設けられている。そして、この圧電ポンプ２０の下流側には、底部発露防止パイプ２６が配置されている。そして、この底部発露防止パイプ２６は、スターリング冷却庫１００の背面側の分岐部３４で、冷蔵室用発露防止パイプ２３と、冷凍室用発露防止パイプ２４に分岐する。さらに、冷蔵室用発露防止パイプ２３と、冷凍室用発露防止パイプ２４とは、下流側で合流し、蒸発器１６に接続される。

圧電ポンプ２０には、圧電ポンプ２０の駆動電圧を制御する駆動電圧制御手段と、圧電ポンプ２０に供給される駆動電流の周波数を制御する周波数制御手段とを備えた、制御部２１が接続されている。この制御部２１としては、たとえば、ＶＶＶＦ（ＶａｒｉｂｌｅＶｏｌｔａｇｅＶａｒｉａｂｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）が用いられる。この制御部２１は、家庭用電源に接続されており、この家庭用電源から供給される交流電流の周波数または電圧を変換することができる。

図２は、圧電ポンプ２０の断面図である。この図２に示されるように、圧電ポンプ２０は、ケーシング４３と、このケーシング４３内に配置された圧電素子４４とを備えている。ケーシング４３内は、圧電素子４４により作動空間４５と、背圧空間４６とに区画されている。ケーシング４３には、熱媒体Ａを吸入して、作動空間４５内に熱媒体Ａを供給する吸入部４８と、作動空間４５内の熱媒体Ａを吐出する吐出部４７とを備えている。吸入部４８には、図１に示す配管２５に連結された配管４０が接続されている。また、吐出部４７と作動空間４５との間には、作動空間４５内の熱媒体Ａが吸入部４８内に逆流することを防止する逆止弁４９が設けられている。また、吐出部４７には、底部発露防止パイプ２６に接続された配管４１が接続されている。また、吐出部４７と作動空間４５との間には、吐出部４７内の熱媒体Ａが作動空間４５内に逆流することを防止する逆止弁５０が配置されている。配管４０と背圧空間４６との間には、連結管４２が配置されている。このため、背圧空間４６の内圧は、配管４０の内圧とされている。

このように構成されたスターリング冷却庫１００において、図１において、熱媒体Ａを第２冷媒循環回路１０２内で循環させるには、まず、圧電ポンプ２０を起動する。圧電ポンプ２０を起動する際には、家庭用電源に接続された制御部２１が、圧電ポンプ２０に駆動電流を供給する。図３は、圧電ポンプ２０に供給される駆動電流の電圧の制御態様を示したグラフであり、図４は、圧電ポンプ２０に供給される駆動電流の周波数の制御態様を示したグラフである。

図３、図４に示されるように、まず、制御部２１は、家庭用電源から供給された電圧が１００（Ｖ）、周波数が６０（Ｈｚ）または、５０（Ｈｚ）の交流電流を、電圧が５０（Ｖ）、周波数が２０（Ｈｚ）の交流電流に変換する。そして、圧電ポンプ２０に供給する。

そして、図１において、圧電ポンプ２０が起動することにより圧電ポンプ２０から吐出した熱媒体Ａが第２冷媒循環回路１０２を介して、蒸発器１６に達する。この際、圧電ポンプ２０から吐出した熱媒体Ａが蒸発器１６に達する経路としては、冷蔵室用発露防止パイプ２３を経由して蒸発器１６に達する経路と、冷凍室用発露防止パイプ２４を経由して蒸発器１６に達する経路とがある。そして、本実施の形態１に係るスターリング冷却庫１００においては、圧電ポンプ２０から吐出した熱媒体Ａが、冷蔵室用発露防止パイプ２３を経由して蒸発器１６に達するまでに要する時間は、冷凍室用発露防止パイプ２４を経由して蒸発器１６に達するまでに要する時間より長いものとされている。ここで、圧電ポンプ２０から吐出された熱媒体Ａが、冷蔵室用発露防止パイプ２３を経由して、蒸発器１６に達するまでの時間を、圧電ポンプ２０から吐出された熱媒体Ａが蒸発器１６に達するまでの循環時間とする。すなわち、循環時間とは、圧電ポンプ２０から吐出された熱媒体Ａが、第２冷媒循環回路１０２を介して、蒸発器１６に達するまでの時間である。また、本実施の形態１のように、第２冷媒循環回路１０２は、圧電ポンプ２０から蒸発器１６までの間に分岐している場合には、圧電ポンプ２０から吐出した熱媒体Ａが蒸発器１６に達するまでに要する時間のうち、最も長い時間とする。

この循環時間は、圧電ポンプ２０から吐出された熱媒体Ａの初速と、圧電ポンプ２０から冷蔵室用発露防止パイプ２３を介して、蒸発器１６に到るまでの距離とから算出される。

図３において、時間ｔ_１１は、圧電ポンプ２０の起動時に初期電圧５０（Ｖ）を印加した際に、圧電ポンプ２０から吐出した熱媒体Ａが蒸発器１６に達するまでの循環時間である。また、図４において、時間ｔ_２１は、圧電ポンプ２０の起動時に初期周波数２０（Ｈｚ）の電流を供給した際に、圧電ポンプ２０から吐出した熱媒体Ａが蒸発器１６に達するまでの循環時間である。なお、本実施の形態１においては、制御部２１は、起動時に圧電ポンプ２０に、電圧が５０（Ｖ）、周波数が２０（Ｈｚ）の電流を供給しており、ｔ_１１と、ｔ_２１とは、同じ値になる。

そして、圧電ポンプ２０が起動してから、時間ｔ_１１（＝ｔ_２１）経過するまでの間は、電圧を５０（Ｖ）、周波数を２０（Ｈｚ）に維持する。ここで、圧電ポンプ２０に供給される駆動電流の電圧が大きくなると、圧電素子４４の振幅の幅が大きくなる。そして、圧電素子４４の振幅の幅が大きくなると、圧電ポンプ２０から吐出される熱媒体Ａの圧力が大きくなる。ここで、本実施の形態１に係るスターリング冷却庫１００おいては、起動時に圧電ポンプ２０に供給される駆動電流の電圧は、５０（Ｖ）とされており、家庭用電源の１００（Ｖ）より低く設定されている。このため、圧電ポンプ２０に家庭用電源を直接接続した場合と比較して、起動時に、圧電ポンプ２０から吐出される熱媒体Ａと、圧電ポンプ２０より下流側の第２冷媒循環回路１０２内の熱媒体Ａとの間で生じる圧力は、小さく抑えられている。

また、圧電ポンプ２０に供給される駆動電流の周波数が大きくなると、圧電素子４４の振動数が上昇する。圧電素子４４の振動数が上昇すると、圧電ポンプ２０は弁により熱媒体Ａを断続的に流動する構造であるから、圧電ポンプ２０から吐出される熱媒体Ａの単位時間当たりの圧力変動が増加する。ここで、本実施の形態に係るスターリング冷却庫１００においては、起動時に供給される駆動電流の周波数が２０（Ｈｚ）とされており、家庭用電源より低く設定されている。このため、起動時に圧電ポンプ２０から吐出される熱媒体Ａの圧力変動は、圧電ポンプ２０を家庭用電源に接続した場合よりも小さく抑えられている。これにより、起動時に圧電ポンプ２０から吐出する熱媒体Ａと、圧電ポンプ２０より下流側の第２冷媒循環回路１０２内の熱媒体Ａとの急激な変動による圧力の差が小さく、抑えられている。このため、起動時においては、圧電素子４４の駆動により熱媒体Ａ内に気泡が発生し難く、キャビテーションの発生が良好に抑制されている。

そして、圧電ポンプ２０を起動してから、時間ｔ_１１（＝ｔ_２１）経過するまでの間は、圧電素子４４に供給する駆動電流の電圧を５０（Ｖ）、周波数を２０（Ｈｚ）に維持する。その間に、起動時に圧電ポンプ２０から吐出した熱媒体Ａが、蒸発器１６内に達する。このため、圧電ポンプ２０から蒸発器１６までの間の第２冷媒循環回路１０２内の内圧等が均一化する。これにより、時間ｔ_１１（＝ｔ_２１）経過する際には、図２において、熱媒体Ａは、管路４０内を安定的に流通している。

圧電ポンプ２０を起動してから、時間ｔ_１１（＝ｔ_２１）経過すると、圧電ポンプ２０に圧電ポンプ２０に供給する駆動電流の電圧を７０（Ｖ）とし、周波数を３５（Ｈｚ）とする。このように、初期状態に供給される駆動電流と、時間ｔ_１１（＝ｔ_２１）経過後に供給される駆動電流との電圧の差が２０（Ｖ）、周波数の差が１５（Ｈｚ）に抑えられている。このため、時間ｔ_１１（＝ｔ_２１）経過時に圧電ポンプ２０から吐出する熱媒体Ａと、圧電ポンプ２０より下流側の第２冷媒循環回路１０２内の熱媒体Ａとの圧力差が、小さく抑えられている。

さらに、図２において、熱媒体Ａは、管路４０内を安定的に流通しているため、圧電素子４４の駆動が時間ｔ_１１（＝ｔ_２１）経過前より高出力となっても、熱媒体Ａの加速度も小さく、圧電素子４４の周囲に気泡が発生し難くなっている。すなわち、時間ｔ_１１（＝ｔ_２１）経過前後において、管路４０内を流通する熱媒体Ａの流速や、圧電素子４４の駆動出力に大きな差がなく、気泡の発生が抑制されている。

そして、図３、図４において、時間ｔ_１２（＝ｔ_２２）となる際には、圧電ポンプ２０に供給される駆動電流の電圧を９０（Ｖ）とし、周波数を５０（Ｈｚ）とする。

このように時間ｔ_１２（＝ｔ_２２）経過時に圧電ポンプ２０に供給された駆動電流と、時間ｔ_１１（＝ｔ_２１）経過時に圧電ポンプ２０に供給された駆動電流とは、電圧の差が、２０（Ｖ）であり、周波数の差が１５（Ｈｚ）となっている。

このため、時間ｔ_１２（＝ｔ_２２）経過時に圧電ポンプ２０から吐出される熱媒体Ａと、圧電ポンプ２０より下流側に配置された第２冷媒循環回路１０２内の熱媒体Ａとの、圧力差が小さく抑えられている。

また、図３において、時間ｔ_１２（＝ｔ_２２）経過前後に、管路４０内を流通する熱媒体Ａの流速や、圧電素子４４の駆動力に大きな差がなく、気泡の発生が抑制されている。

そして、時間ｔ_１２（＝ｔ_２２）経過後には、圧電ポンプ２０に供給される駆動電流の電圧は、９０（Ｖ）に維持され、周波数は、５０（Ｈｚ）に維持される。すなわち、制御部２１は、圧電ポンプ２０に供給する駆動電流の電圧および周波数を変化させた際に、圧電ポンプ２０から吐出された熱媒体Ａが、蒸発器１６に達するまでは、圧電ポンプ２０に供給されている駆動電流の電圧および周波数を維持する。そして、熱媒体Ａが蒸発器１６に達すると、圧電ポンプ１６に供給される駆動電流の電圧および周波数を増加する。このように圧電ポンプ２０に供給される駆動電流を、初期電圧５０（Ｖ）から目標電圧９０（Ｖ）に段階的に変化させると共に、初期周波数を２０（Ｈｚ）から目標周波数５０（Ｈｚ）に段階的に変化させる。

なお、本実施の形態においては、圧電ポンプ２０の起動時における駆動電流の制御態様について説明したが、これに限られない。

たとえば、スターリング冷凍機１４の駆動が抑えられ、放熱部１８から放熱される熱量が少なくなった際、冷蔵室１１および冷凍室１２のドアパッキン当接部に発露が発生しないように、第２冷媒循環回路１０２内を流通する熱媒体Ａの流通速度を加速させる必要がある。このような場合には、制御部２１は、圧電ポンプ２０に供給する駆動電流の電圧および周波数を段階的に増加させる。また、第２冷媒循環回路１０２内を循環する熱媒体Ａの量を低減する際においても、同様に、駆動電流の電圧および周波数を段階的に低減する。

さらに、本実施の形態においては、駆動電流の電圧と、周波数とのいずれも段階的に変動させることとしているが、電圧または、周波数のいずれか一方のみを段階的に変動させることとにしてもよい。また、本実施の形態においては、駆動電流の電圧および周波数を２段階に分けて変動させているが、これに限られない。すなわち、２段階以上に分けて変動させてもよい。

上記のように構成されたスターリング冷却庫１００によれば、駆動電流の電圧および周波数を段階的に変化させることにより、第２冷媒循環回路１０２のうち、圧電ポンプ２０と蒸発器１６との間に位置する熱媒体Ａに圧力差が生じ難く、騒音または振動の発生を抑制することができる。

すなわち、駆動電流の電圧および周波数を段階的に変更する際には、一旦、電圧および周波数を変更すると循環時間経過するまで、電圧および周波数を一定に維持するため、圧電ポンプ２０から蒸発器１６までの第２冷媒循環回路１０２内の熱媒体Ａの圧力分布が略均一なものとされており、振動および騒音の発生を抑制することができる。

さらに、駆動電流の電圧や周波数を変化させる前後において、管路４０内を流通する熱媒体Ａの速度に大きな差がなく、圧電素子４４の駆動出力も大きな差がないため、気泡が発生し難く、キャビテーションの発生を抑制することができる。

さらに、駆動電流の電圧の目標電圧を９０（Ｖ）としており、家庭用電源を用いた場合と比較して、圧電素子４４の駆動力が低減されており、さらに気泡が発生し難くキャビテーションの発生が抑制されている。また、駆動電流の周波数の目標周波数を５０（Ｈｚ）としており、家庭用電源を用いた場合と比較して、圧電素子４４の駆動力が低減されており、キャビテーションの発生が抑制されている。

（実施の形態２）
図５と図６とを用いて、本実施の形態２について説明する。なお、必要な場合には、適宜、図１、図２を用いて説明する。図５は、圧電ポンプ２０に供給される駆動電流の電圧の制御態様を示したグラフであり、図６は、圧電ポンプ２０に供給される駆動電流の周波数の制御態様を示したグラフである。

なお、本実施の形態２に係るスターリング冷却庫は、上記実施の形態１に係るスターリング冷却庫１００と同様に構成されている。

図５に示されるように、圧電ポンプ２０に供給される駆動電流の電圧は、初期電圧を５０（Ｖ）とし、その後は、時間ｔ_１３までは、時間の経過と共に、比例的に増加する。そして、時間ｔ_１３の際には、電圧は、９０（Ｖ）となり、その後、９０（Ｖ）に維持される。その一方で、図６に示すように、駆動電流の周波数も、初期周波数を２０（Ｈｚ）とし、ｔ_２３まで、時間の経過と共に、比例的に増加する。そして、時間ｔ_２３の際には、周波数は、５０（Ｈｚ）となり、その後５０（Ｈｚ）に維持される。

ここで、起動時から時間ｔ_１３（時間ｔ_２３）までの間においては、駆動電流の電圧と、周波数との増加率は、低く設定されている。このため、圧電ポンプ２０から吐出される熱媒体Ａの圧力の増加率も低くなっている。このため、圧電素子２０から吐出された熱媒体Ａの圧力と、圧電ポンプ２０下流側に位置する第２冷媒循環回路１０２内に位置する熱媒体Ａの圧力との差は、小さくなる。

これにより、第２冷媒循環回路１０２の圧電ポンプ２０付近の熱媒体Ａの圧力と、蒸発器１６付近の熱媒体Ａの圧力との差が小さく抑えられている。

さらに、図２において、管路４０内を流通する熱媒体Ａの速度の加速度も小さく、圧電素子４４の駆動力の単位時間当たりの増加も小さく抑えられているため、起動時から時間ｔ_１３までの間に、気泡が発生し難く、キャビテーションが発生し難くなっている。

このように構成されたスターリング冷却庫１００においては、上記実施の形態１と同様に、第２冷媒循環回路１０２のうち、圧電ポンプ２０の起動時に、圧電ポンプ２０から蒸発器１６までの間において、熱媒体Ａの圧力差が小さく抑えられている。このため、上記実施の形態１に係るスターリング冷却庫１００と同様の効果を得ることができる。

すなわち、本実施の形態２におよび上記実施の形態１係るスターリング冷却庫１００は、熱媒体Ａが循環する第２冷媒循環回路１０２と、この第２冷媒循環回路１０２内に設けられた圧電ポンプ２０と、この圧電ポンプ２０に供給される駆動電圧を制御する駆動電圧制御手段と、圧電ポンプ２０に供給される駆動電流の周波数を制御する駆動電流周波数制御手段とを備えている。

そして、起動時等においては、圧電ポンプ２０から吐出された熱媒体Ａが蒸発器１６に達するまでの循環時間経過後に、圧電ポンプ２０の駆動電圧および駆動電流の周波数を段階的または線形的に変化させる。これにより、起動時に熱媒体Ａの圧力変動を抑制することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、各実施の形態の特徴を適宜組合せることも当初から予定されている。また、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、スターリング冷却庫に好適である。

本実施の形態１に係るスターリング冷却庫の概略構成を示す斜視図である。圧電ポンプの断面図である。圧電ポンプに供給される駆動電流の電圧の制御態様を示したグラフである。圧電ポンプに供給される駆動電流の周波数の制御態様を示したグラフである。圧電ポンプに供給される駆動電流の電圧の制御態様を示したグラフである。圧電ポンプに供給される駆動電流の周波数の制御態様を示したグラフである。

符号の説明

１０キャビネット、１１冷蔵室、１２冷凍室、１３機械室、１４スターリング冷凍機、１５凝縮器、１６蒸発器、１７冷却部、１８放熱部、２０圧電ポンプ、２１制御部、２２熱媒体循環回路、２３冷蔵室用発露防止パイプ、２４冷凍室用発露防止パイプ。

Claims

スターリング冷凍機によって庫内を冷却する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に設けられ、冷媒が蒸発することにより前記高温部を冷却する蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した冷媒を凝縮器に導き前記凝縮器で凝縮した前記冷媒を前記蒸発器に導く第１の冷媒循環回路と、
前記蒸発器の液相冷媒を加熱対象部に循環させる第２の冷媒循環回路と、
前記第２の冷媒循環回路に設置され、前記液相媒体を強制循環させるポンプと、
前記ポンプを駆動制御する制御手段とを備え、
前記ポンプの起動時に定格出力より低い出力で所定時間駆動させることを特徴とするスターリング冷却庫。
前記ポンプが圧電ポンプであ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。
前記出力が前記ポンプを駆動する電圧であ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。