JP3826998B2 - スターリング冷凍システム及びスターリング冷蔵庫 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機を用いた冷凍システム及びそれを備えたスターリング冷蔵庫に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、ＣＦＣ（特定フロン）及びＨＣＦＣ系冷媒が冷凍・空調機器の作動流体として使われてきたが、ＣＦＣ系冷媒が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規制されている。また、新しく開発されたＨＦＣ系冷媒は、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。
【０００３】
これらの環境負荷の高いＣＦＣ、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ系冷媒を作動媒体とする蒸気圧縮式冷凍サイクルに代わる技術の一つとして、逆スターリングサイクルを利用するスターリング冷凍機を用いた冷凍装置の研究が進められている。スターリング冷凍機は、地球環境に影響を及ぼすことのないヘリウムなどの不活性ガスを作動媒体としており、外部動力により、ピストンを作動させることによって作動媒体の圧縮・膨張過程を繰り返し、高温熱源（一般的に環境雰囲気）への放熱と低温熱源（冷熱利用側）からの吸熱を行うものである。このスターリング冷凍機は、その内部に設けられた内部熱交換器の形状と大きさの制約により、ウォームセクションと呼ばれる高温部とコールドヘッドと呼ばれる低温部の表面積が限られていることが特徴で、効率よくスターリング冷凍機の高温部から熱を環境雰囲気へ、低温部からの冷熱を冷熱利用側へ搬送するのは重要である。
【０００４】
スターリング冷凍機で発生した冷熱を搬送する方法としては、様々な提案がなされている。例えば、エチルアルコールやブラインなどの冷熱搬送媒体を二次冷媒とし、この二次冷媒と顕熱による熱交換を行い、配管を通してスターリング冷凍機の冷熱を冷熱利用側に搬送することが考えられている。また、フィン付き熱交換器をスターリング冷凍機の低温部に直接取り付け、このフィンつき熱交換器で空気と熱交換させ、冷却された空気を冷蔵庫庫内などの冷熱利用空間へ送る方法もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
熱力学的視点から見ると、システム効率を向上させるために、冷熱の質を保ちながら、冷熱を冷熱利用側に伝熱することが望ましい。すなわち、冷熱搬送媒体を介して冷熱を搬送するにしろ、直接に熱交換器で冷熱を冷熱利用側に提供するにしろ、冷熱利用側で利用できる温度とスターリング冷凍機の低温部（冷熱提供側）の温度との差が小さければ小さいほど、熱搬送の効率は良くなる。
【０００６】
冷熱搬送媒体を利用する場合、熱交換器でスターリング冷凍機低温部から冷熱搬送媒体に冷熱が顕熱として伝達され、冷熱搬送媒体の温度が下がる。そして、配管接続した冷熱利用側の熱交換器で冷熱搬送媒体に蓄えた冷熱を冷熱利用側に伝達する。このとき、冷熱搬送媒体自身に温度差が生じることで、冷熱利用側で利用できる温度とスターリング冷凍機の低温部（冷熱提供）の温度との温度差が次第に拡大され、熱搬送の効率が低下する。また、冷熱搬送媒体を強制的に循環させる冷媒ポンプが必要である。従って、冷熱搬送媒体の顕熱を利用する方法では、スターリング冷凍装置のシステム効率を損ないかねないという問題がある。
【０００７】
それに対し、スターリング冷凍機の低温部に直接フィン付きの熱交換器を取り付け、或いはスターリング冷凍機の低温部を直接に冷熱利用側に密着させ、スターリング冷蔵庫を構成する提案では、小型冷蔵庫に対応できるが、大型の冷凍冷蔵庫（例えば、定格内容積４００Ｌクラス又はそれ以上）の庫内全体に効率よく冷熱を伝達させるのは難しいという問題があった。その原因としては、上述したように、高効率スターリング冷蔵庫は、内部熱交換器の形状や大きさにより、低温部と高温部がコンパクトにできており、熱交換器と接触できる面積が比較的小さいにもかかわらず、空気の熱伝達率が小さいため、空気との熱交換には比較的大きな伝熱面積が必要であることが考えられる。例えば、フィン付き熱交換器の場合、必要な伝熱容量が大きくなればなるほど大きな伝熱面積が必要となるので、それにつれてフィンを取り付ける基盤部を大きくしなければならない。その結果、基盤部を一様な温度に保つことができず、スターリング冷凍機の低温部から離れるほど温度が高くなってしまう。
【０００８】
また、スターリング冷凍機は、入力・出力が高温部と低温部の温度差に依存しており、安定した性能を得るためには、適切な運転条件を維持することが望ましい。特に、家庭用冷蔵庫に応用しやすいと考えられているリニアモータ−フリーピストン型スターリング冷凍機は、潤滑機構の代わりにエアベアリングを使用しており、頻繁の起動が寿命の短縮につながることがあるので、除霜時の対応が課題となっている。
【０００９】
また、スターリング冷凍機を用いた冷蔵庫は、従来の蒸気圧縮式サイクルの冷蔵庫に使われている放熱・冷却のための熱交換システムが根本的に違うことから、除霜を含めた全体の運転・制御に対し、更なる省エネが求められている。
【００１０】
本発明は、このような従来のスターリング冷蔵庫が抱える冷熱搬送手段の問題点に鑑みてなされたものであり、ポンプなどの外部動力に頼ることなく、冷熱を速やかに冷熱利用側に搬送して所望の冷却性能を得ることのできる省エネに有利なスターリング冷凍システムを提供することを目的とする。また、除霜前の状態への復帰が容易なスターリング冷凍システムを提供することを目的とする。更には、そのようなスターリング冷凍システムを備えた効率のよい大容量なスターリング冷蔵庫を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のスターリング冷凍システムは、逆スターリングサイクルによる作動ガスの圧縮熱を外部に放熱するための高温部と、前記逆スターリングサイクルによる前記作動ガスの膨張熱を外部から吸熱するための低温部とを有し、前記低温部に熱的に結合された低温側凝縮器と、この低温側凝縮器より低い位置にそれぞれ高度差をつけて設けた第１低温側蒸発器及び第２低温側蒸発器とをサーモサイフォンを構成するように順次連結した閉回路からなる低温側循環回路を備え、この低温側循環回路内を循環し、前記低温部の冷熱を搬送する冷熱搬送媒体を前記低温側循環回路内に封入し、前記第１低温側蒸発器の除霜時に、前記第２低温側蒸発器が単独で前記低温側凝縮器と一つの循環回路を形成し、又は前記第２低温側蒸発器の除霜時に、前記第１低温側蒸発器が単独で前記低温側凝縮器と一つの循環回路を形成するように前記低温側循環回路を切り替える手段を設けたことを特徴とする。また、本発明は、上記構成において、除霜の間も、前記スターリング冷凍機の運転を続けることを特徴とする。
【００１２】
この構成によると、スターリング冷凍機の低温部で得られた冷熱は、低温側循環回路を流れる冷熱搬送媒体の顕熱として搬送され、第１，第２低温側蒸発器において冷熱搬送媒体が蒸発する際の吸熱によって冷熱利用側に供給される。
【００１３】
このような低温側循環回路では、第１，第２低温側蒸発器は非常に低温になるため、着霜によって次第に冷却能力が低減する。そのため、定期的に除霜を行う必要がある。
【００１４】
本発明では、前記第１低温側蒸発器の除霜時に、前記第２低温側蒸発器が単独で前記低温側凝縮器と一つの循環回路を形成し、又は前記第２低温側蒸発器の除霜時に、前記第１低温側蒸発器が単独で前記低温側凝縮器と一つの循環回路を形成するように前記低温側循環回路を切り替える手段を設けることにより、除霜時の冷熱搬送媒体の流れを止める必要がなくなる。よって、除霜の間も、前記スターリング冷凍機の運転を続けることが可能である。
【００１６】
そして、このようなスターリング冷凍システムを備えた本発明のスターリング冷蔵庫は、前記第１低温側蒸発器を冷凍室の冷却用の冷熱源として用い、前記第２低温側蒸発器を冷蔵室の冷却用の冷熱源として用いたことを特徴とする。
【００１７】
この場合、前記第１低温側蒸発器及び前記第２低温側蒸発器を冷気送風用のダクトの内部に配置し、このダクト内の前記第１低温側蒸発器側の空間と前記第２低温側蒸発器側の空間とを連通可能な開閉式のダンパを設け、前記第１低温側蒸発器及び前記第２低温側蒸発器が同時に作動する際に、前記冷凍室又は前記冷蔵室に要求される熱負荷に応じて、前記ダンパを開閉するようにすると、第１低温側蒸発器の余分な冷凍能力を必要に応じて冷蔵室に分配することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明による第１の実施形態に係るスターリング冷凍システムの基本構成を説明する概念図である。図１に示すスターリング冷凍システムは、高温部２と低温部３を有するヘリウムや窒素などの作動媒体を封入したスターリング冷凍機１、高温側熱交換サイクル６及び低温側熱交換サイクル１０から構成されている。
【００１９】
図１に示すように、高温側熱交換サイクル６は、配管６１，６２で接続した高温側蒸発器４と高温側凝縮器５とから構成されており、水やハイドロカーボンなどの自然冷媒を封入し、サーモサイフォン原理で熱を搬送・放出する。この場合、高温側凝縮器５を高温側蒸発器４より高い位置に設ける。いうまでもなく、高温側熱交換サイクル６は、スターリング冷凍機１から発生した熱を外部環境へ放出するのが目的で、その他の放熱手段（例えば、ヒートシンク）を使ってもよい。
【００２０】
また、低温側熱交換サイクル１０は、低温側凝縮器７と第１低温側蒸発器８と第２低温側蒸発器９を有し、これらを配管１０１，１０２，１０３で順次接続することにより形成されている。そして、図示の如く、低温側凝縮器７を第１，第２低温側蒸発器８，９より高い位置に設けている。この実施の形態においては、低温側循環回路内の冷熱搬送媒体として、二酸化炭素やハイドロカーボンなどの自然冷媒を用いている。
【００２１】
図１に示すスターリング冷凍機１は、例えば、パワーピストンとディスプレーサをシリンダ内部に有するリニアモータ−フリーピストン型であり、パワーピストンの駆動にリニアモータを用いるものを好適に使用できる。もちろん、他の種類のスターリング冷凍機であってもよい。
【００２２】
リニアモータの駆動により、スターリング冷凍機１の高温部２の温度が高くなり、低温部３の温度が低くなる。高温部２に取り付けた高温側蒸発器４で熱搬送媒体が加熱されて蒸発し、高温側蒸発器４より高い位置に設置した高温側凝縮器５に流入する。高温側凝縮器５で飽和状態の水蒸気が外部の空気に冷却され、放熱・凝縮し、ほぼ液体の状態で高温側蒸発器４に戻る。このように、熱搬送媒体の自然循環ができ、サーモサイフォン原理で熱を搬送する。高温側凝縮器５での外部空気との熱交換は、空気の自然対流又は強制対流のどちらによって行ってもよい。
【００２３】
図７は、サーモサイフォンを利用した低温側熱交換サイクルの原理を示す模式的な図である。この図に示すように、スターリング冷凍機１の低温部３に取り付けた低温側凝縮器７で二酸化炭素が冷やされて凝縮し、ほぼ液体の状態で配管１０１を通して第１低温側蒸発器８に流入する。第１低温側蒸発器８は、第２低温側蒸発器９の真下にある。そのため、低温側凝縮器７から配管１０１を流れ落ちて第１低温側蒸発器８に流入する液体の二酸化炭素の重力の方が、配管１０３から第２低温側蒸発器９に流入する液体の二酸化炭素の重力より大きくなり、しかも、第１低温側蒸発器８でガス化した二酸化炭素は、配管１０２を通して第２低温側蒸発器９に向かって上昇する流れを作る。更に、第２低温側蒸発器９でガス化した二酸化炭素は、低温側凝縮器７の方に逆流する流れを作る。よって、低温側凝縮器７で凝縮した二酸化炭素は、専ら第１低温側蒸発器８の方へ流れ落ちるようになる。
【００２４】
第１低温側蒸発器８で二酸化炭素の一部が冷熱利用側の空気に加熱され、吸熱・蒸発する。更に、第１低温側蒸発器８から流出した二相状態の二酸化炭素が第２低温側蒸発器９に流入し、吸熱することにより、液の大部分が蒸発する。そして、第２低温側蒸発器９から流出した二酸化炭素が圧力差により低温側凝縮器７に送られる。この圧力差は、低温側凝縮器７と第１，第２低温側蒸発器８，９との高度差及び二酸化炭素の液と気体の比重差によるものである。つまり、低温凝縮器７の出口から第１低温側蒸発器８の入口までの配管１０１には液状態の二酸化炭素がほとんどで、一方、第２低温側蒸発器９から流出した二酸化炭素がほとんど気体であるため、比重の大きい液体の二酸化炭素が重力により配管１０１を落下することにより、比重の軽い気体の二酸化炭素が押し出される形で自然に図１に示す矢印の方向に循環する。このように、冷熱搬送媒体の二酸化炭素の潜熱によってスターリング冷凍機の冷熱が冷熱利用側に運ばれる。
【００２５】
低温側熱交換サイクル１０への二酸化炭素の封入量は、第１，第２低温側蒸発器８，９がいずれも正常に作動するように、このサイクル１０の内容積などに基づいて決められる。しかし、第２低温側蒸発器９は第１低温側蒸発器８より位置が高いので、第２低温側蒸発器９を単独で作動させようとしても、液体の二酸化炭素が第２低温側蒸発器に入らず正常に作動しないことも考えられる。従って、第２低温側蒸発器９を常に正常に作動させるためには、第１低温側蒸発器８から第２低温側蒸発器９へ充分な液量の二酸化炭素を供給することが必要である。そのため、本発明では第１低温側蒸発器８を充分な熱負荷で作動させるようにしている。
【００２６】
スターリング冷凍システムの運転中、周辺の空気に含まれる水分が凝縮して第１，第２低温側蒸発器８，９に着霜すると、次第に第１，第２低温側蒸発器８，９のフィンが目詰まりを起こし、冷却能力が低減するので、ヒータなどによる定期的な除霜が必要である。
【００２７】
＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態に係るスターリング冷凍システムの概念図である。図２に示すように、低温側熱交換サイクル１０の配管１０１に二酸化炭素の流れを遮断できる開閉弁１１を設け、第１，第２低温側蒸発器８，９の除霜時に開閉弁１１を閉め、除霜完了後に開閉弁１１を再び開く。除霜時に二酸化炭素の流れを遮断することにより、冷熱搬送媒体が循環回路を循環することなく、ヒータの発熱を局部的に第１，第２低温側蒸発器８，９に集中でき、除霜の時間が短縮できる。
【００２８】
また、冷熱搬送媒体が流れないので、低温側凝縮器７とスターリング冷凍機１の低温部３の温度上昇はほとんどない。更に、除霜中でもスターリング冷凍機１の出力を落としながらも運転を続けることにより、スターリング冷凍機１の低温部３と低温側凝縮器７を低温状態に保持でき、除霜後の速やかな復帰が実現できる。ノーストップ運転が実現できれば、スターリング冷凍機１の寿命もより長く持つ。
【００２９】
循環回路に開閉弁１１を設けずに、除霜を実施すると、除霜によって加熱された冷熱搬送媒体が循環回路を循環して、循環回路とスターリング冷凍機１の低温部３を全体的に温めることになり、除霜時間の延長が避けられない。また、除霜後の冷熱搬送媒体の低温状態への復帰にも時間を要することになる。
【００３０】
＜第３の実施形態＞
図３〜図５は、本発明の第３の実施形態のスターリング冷凍システムの概念図である。図３〜図５に示すように、低温側熱交換サイクル１０の配管１０１，１０２に三方弁１２，１３をそれぞれ設けている。そして、第１低温側蒸発器８と第２低温側蒸発器９がいずれもそれぞれ単独で低温側凝縮器７と一つの循環回路を形成するように、三方弁１２と配管１０２との間にバイパス管１０４を接続するとともに、三方弁１３と配管１０３との間にバイパス管１０５を接続している。これらの三方弁１２，１３の切り替えにより、冷熱搬送媒体の流れが変えられる。
【００３１】
図３に示すのは、通常運転の状態である。冷熱搬送媒体が低温側凝縮器７から流出し、第１低温側蒸発器８及び第２低温側蒸発器９を通過し、低温側凝縮器７に戻る。
【００３２】
図４に示すのは、スターリング冷凍機１の運転と低温側熱交換サイクル１０の動作を続けながら、第１低温側蒸発器８の除霜を行う状態である。三方弁１２の切り替えにより、低温側凝縮器７から第１低温側蒸発器８への流れが遮断される。また、三方弁１３の切り替えにより、第１低温側蒸発器８から第２低温側蒸発器９への流れが遮断される。
【００３３】
これにより、第１低温側蒸発器８の除霜時に、冷熱搬送媒体が第１低温側蒸発器８に流れ込まなくなる。そのため、ヒータによる少ない熱量で除霜できる。一方、低温側凝縮器７から冷熱搬送媒体が第２低温側蒸発器９に流入し、第２低温側蒸発器９で冷熱を放出し、再び低温側凝縮器７に戻る。なお、第１低温側蒸発器８を加熱して除霜を行うと、第１低温側蒸発器８に溜まっている冷熱搬送媒体の一部が蒸発して上部の配管１０２や低温側凝縮器７に移動する。これにより、除霜による第１低温側蒸発器８内の過圧を避けながら、第２低温側蒸発器９へ冷熱搬送媒体を供給できるようになる。
【００３４】
図５に示すのは、スターリング冷凍機１の運転と低温側熱交換サイクル１０の動作を続けながら、第２低温側蒸発器９の除霜を行う状態である。三方弁１２の切り替えにより、低温側凝縮器７から第２低温側蒸発器９への流れが遮断される。また、三方弁１３の切り替えにより、第１低温側蒸発器８から第２低温側蒸発器９への流れが遮断される。上記と同様に、第２低温側蒸発器９の除霜時に、冷熱搬送媒体が第２低温側蒸発器９へ流れ込まないから、ヒータによる少ない熱量で除霜できる。一方、低温側凝縮器７から冷熱搬送媒体が第１低温側蒸発器８に流入し、第１低温側蒸発器８で冷熱を放出し、再び低温側凝縮器７に戻る。なお、第２低温側蒸発器９の除霜を行うと、第２低温側蒸発器９に溜まっている冷熱搬送媒体の一部が蒸発して低温側凝縮器７に移動する。これにより、除霜による第２低温側蒸発器９内の過圧を避けながら、第１低温側蒸発器８へ冷熱搬送媒体を供給できるようになる。
【００３５】
この実施の形態によると、上記第２の実施形態（図２参照）に比べ、除霜中でも冷熱の提供を行えることが利点である。
【００３６】
＜第４の実施形態＞
図６は、本発明のスターリング冷凍システムを実現するスターリング冷蔵庫２０の一例の断面図である。図６に示す本実施形態のスターリング冷蔵庫２０は、上記第１〜第３の実施形態で説明したスターリング冷凍システム（スターリング冷凍機１、高温側熱交換サイクル６及び低温側熱交換サイクル１０からなる）を有している。
【００３７】
冷蔵庫２０の本体２４は断熱材により箱形状に形成され、その内部の空間は断熱性に優れた仕切板２５，２６により、上方から順に冷蔵室２１、野菜室２２及び冷凍室２３の三つの設定温度の異なる冷却室に仕切られている。スターリング冷凍機１を冷蔵庫本体２０背面の上部に設け、低温側熱交換サイクル１０（図１参照）の第１，第２低温側蒸発器８，９をスターリング冷凍機１より低い庫内冷気ダクト３０内に設けている。第１低温側蒸発器８は、主に冷凍室２３の冷却に使う。第２低温側蒸発器９は、主に冷蔵室２１と野菜室２２の冷却に使う。
【００３８】
この実施の形態においては、スターリング冷凍機１の高温側熱交換サイクル６がサーモサイフォン式であり、高温側蒸発器４と高温側凝縮器５を備えている。高温側凝縮器５は、本体２４のトップに設けた庫外の空気ダクト２７内に配設されている。
【００３９】
高温側蒸発器４と低温側凝縮器７とは、いずれも螺旋状の銅又はアルミニウム製のチューブで、熱又は冷熱の搬送媒体がその管内を流れる。スターリング冷凍機１の高温部２、低温部３と密着させる方法としては、高温側蒸発器４と低温側凝縮器７を環状の銅やアルミニウム製の金属ベースの外側面にロー付けし、これらの金属ベースをそれぞれスターリング冷凍機１の高温部２、低温部３に密着するように被せることも可能である。更に、これらの環状金属ベースの内側面に、スターリング冷凍機１の高温部２又は低温部３の側面と同様のテーパ角度を持たせれば、双方の接触面の密着性が更によくなる。
【００４０】
スターリング冷凍機１の運転を開始すると、高温部２の温度が上がり、高温側蒸発器４で熱搬送媒体が加熱されて蒸発し、配管６１を通って高温側凝縮器５に流入する。同時に、放熱用ファン１６の回転により、庫外の空気が吸込口２８から空気ダクト２７内に吸込まれ、高温側凝縮器５のフィン間を通過した後、吹出口２９から庫外に吹き出される。その際、熱搬送媒体は高温側凝縮器５で冷やされて凝縮する。凝縮した熱搬送媒体は、配管６２を通って流れ落ち、再び高温側蒸発器４に戻る。このように、熱搬送媒体の自然循環が行われ、スターリング冷凍機１の高温部２の熱が庫外に放熱される。
【００４１】
同様に、スターリング冷凍機１の運転により低温部３の温度が下がり、低温側凝縮器７で冷熱搬送媒体が冷却されて凝縮し、配管１０１を流れ落ちて低温側第１蒸発器８に流入する。同時に、第１ファン１４の回転により、庫内（主に冷凍室２３）の空気が第１低温側蒸発器８のフィン間を通過し、冷熱搬送媒体が吸熱・蒸発するとともに、庫内の空気が冷却される。この第１低温側蒸発器８から流出した冷熱搬送媒体は、配管１０２を通って二相状態で第１低温側蒸発器８より高い位置に配設されている第２低温側蒸発器９に流入する。また同時に、第２ファン１５の回転により、庫内（主に冷蔵室２１と野菜室２２）の空気が第２低温側蒸発器９のフィン間を通過し、冷熱搬送媒体の液が第２低温側蒸発器９で吸熱・蒸発するとともに、庫内の空気が冷却される。蒸発した冷熱搬送媒体は、配管１０３を通って上昇し、再び低温側凝縮器７に戻る。このように、冷熱搬送媒体の自然循環が行われ、スターリング冷凍機１の低温部３の冷熱が庫内の空気に提供される。
【００４２】
実際のスターリング冷蔵庫２０の使用時は、冷凍室２３、冷蔵室２１と野菜室２２の熱負荷に応じて第１，第２低温側蒸発器８，９で得られる必要冷熱を制御し、冷熱を冷凍室２３、冷蔵室２１と野菜室２２に分配する。例えば、冷蔵室２１と野菜室２２の温度が設定値の下限より低くなると、第２ファン１５の回転数を下げたり、停止したりするといった手法がある。
【００４３】
逆に、冷蔵室２１と野菜室２２の温度が設定値の上限より高くなった場合は、第２ファン１５の回転数を上げて冷気の送風を増やすことが考えられる。ただし、第２低温側蒸発器９を動作させる際は、同時に第１低温側蒸発器８も動作させることが望ましいから、第１低温側蒸発器８において充分な冷熱が得られるように制御しておく必要がある。この場合、冷凍室２３の必要熱負荷が第１低温側蒸発器８の得られる冷熱量に相当する出力より小さいのであれば、冷気ダクト３０に設けられている開閉式のダンパ１７を開いて、余分な冷熱を冷蔵室２１や野菜室２２へ提供すればよい。
【００４４】
或いは、冷凍室２３の温度が設定値の上限より高くなると、第１ファン１４の回転数を上げたり、第２ファン１５の回転数を下げたりするといった手法がある。
【００４５】
なお、第１，第２低温側蒸発器８，９の下方にそれぞれ除霜用ヒータ（図示せず）を設けている。このヒータによる除霜を有利にする手段として、まず一つに、上記第２の実施形態で述べたように、配管１０１の途中に開閉弁１１（図２参照）を設けることができる。例えば、第１低温側蒸発器８又は第２低温側蒸発器９若しくはその両方の除霜が必要であると判断されると、開閉弁１１を閉めるとともに、第１，第２蒸発器８，９の除霜用ヒータに通電して除霜を行う。除霜の間もスターリング冷凍機１の運転を続けて冷熱搬送媒体の低温状態を維持しておけば、除霜後開閉弁１１を開くことで、速やかに冷熱の提供を再開できる。
【００４６】
もっと有利な除霜手段として、上記第３の実施形態で述べたように、配管１０１，１０２に三方弁１２，１３（図３〜図５参照）を設け、バイパス管１０４で三方弁１２と配管１０２とを接続するとともに、バイパス管１０５で三方弁１３と配管１０３とを接続することも可能である。この場合、第１低温側蒸発器８（又は第２低温側蒸発器９）の除霜中にも冷熱搬送媒体が循環され、第２低温側蒸発器９（又は第１低温側蒸発器８）の動作を続けることができる。
【００４７】
例えば、図４に示すように、第１低温側蒸発器８の除霜時に、三方弁１２の切り替えにより、低温側凝縮器７から第１低温側蒸発器８への流れを遮断するとともに、三方弁１３の切り替えにより、第１低温側蒸発器８から第２低温側蒸発器９への流れを遮断する。そして、第１低温側蒸発器８の除霜用ヒータを通電させ、除霜を行う。一方、低温側凝縮器７からの流れが第２低温側蒸発器９に流入し、第２低温側蒸発器９で冷熱を放出し、再び低温側凝縮器７に戻る。
【００４８】
なお、第１低温側蒸発器８の除霜を行うと、冷熱搬送媒体は熱を受けるので、第１低温側蒸発器８に溜まっている冷熱搬送媒体の一部が蒸発して上部の配管１０２や低温側凝縮器７に移動する。同様に、第２低温側蒸発器９の除霜が必要になれば、図５に示すように、三方弁１２，１３を切り替え、第１低温側蒸発器８を作動させながら、第２低温側蒸発器９の除霜を行う。第１，第２低温側蒸発器８，９の除霜により生じたドレン水は、ドレン水排出口１８から排出される。
【００４９】
この実施の形態では、低温側凝縮器７及び高温側蒸発器４を螺旋状チューブとして説明したが、同じ目的が達成されれば、もちろん他の種類のものであってもよい。また、スターリング冷凍機１の低温部３に直接冷熱搬送媒体の流路を設けて、低温側凝縮器７の役割を担わすようにしてもよい。また、３つ以上の低温側蒸発器をそれぞれ高度差をつけて設けてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のスターリング冷凍システムは、スターリング冷凍機の低温部に熱的に結合された低温側凝縮器と、この低温側凝縮器よりも低い位置に高度差をつけて設けた二つの低温側蒸発器とをサーモサイフォンを構成するように順次連結した閉回路からなる低温側循環回路を備え、この低温側循環回路内に冷熱搬送媒体を封入してなっている。従って、サーモサイフォンを利用して冷熱搬送媒体の安定的な自然循環を得ることができ、各低温側蒸発器において蒸発する冷熱搬送媒体によって必要な冷熱を得ることができる。これにより、大容量かつ低消費電力のスターリング冷蔵庫をも実現できる。
【００５１】
この構成では、低い位置にある低温側蒸発器から二相状態で流れ出た冷熱搬送媒体は、それより高い位置にある低温側蒸発器に流入して大部分が蒸発し、更に高い位置の低温側凝縮器に至る冷熱搬送媒体の流れによって熱を受ける構成となっており、サーモサイフォンにしばしば見られる起動のしにくさや冷熱搬送媒体の逆流を防止できる。また、本発明によれば、低温側循環回路全体を加熱することなく、局部の加熱だけで除霜ができるから、除霜時間の短縮及び除霜後の速やかな復帰が実現できる。また、低温側蒸発器を同時に除霜させないことが可能であるので、除霜中でも庫内への冷熱の提供ができる。しかも、本発明によれば、除霜中にスターリング冷凍機の運転を停止する必要がないので、スターリング冷凍機の頻繁な起動による性能の劣化を抑えることができる。
【００５２】
冷蔵庫の冷凍室と冷蔵室では、一般に２０℃ほどの温度差があるので、それぞれの冷熱源として二つの低温側蒸発器を専用とすれば、熱交換効率がよくなるだけでなく、大きな熱交換量を得ることも可能となる。つまり、冷却ファンの消費電力をも増やさずに大きな冷熱が低温側蒸発器から得られる。この場合、冷凍室又は冷蔵室の熱負荷に応じて低温側蒸発器で得られる冷熱の量を制御でき、スターリング冷凍機の無駄な運転がなく、省エネが図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係るスターリング冷凍システムの基本構成を説明する概念図である。
【図２】 本発明の第２の実施形態に係るスターリング冷凍システムの基本構成を説明する概念図である。
【図３】 本発明の第３の実施形態に係るスターリング冷凍システムの基本構成を説明する概念図であり、通常の運転状態を示している。
【図４】 同上スターリング冷凍システムの概念図であり、第１低温側蒸発器の除霜を行う状態である。
【図５】 同上スターリング冷凍システムの概念図であり、第２低温側蒸発器の除霜を行う状態である。
【図６】 本発明の第４の実施形態に係るスターリング冷蔵庫の一例の断面図である。
【図７】 低温側熱交換サイクルの原理を説明する模式図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
２ 高温部
３ 低温部
４ 高温側蒸発器
５ 高温側凝縮器
６ 高温側熱交換サイクル
７ 低温側凝縮器
８ 第１低温側蒸発器
９ 第２低温側蒸発器
１０ 低温側熱交換サイクル
１１ 開閉弁
１２，１３ 三方弁
１４ 第１ファン
１５ 第２ファン
２０ スターリング冷蔵庫
２１ 冷蔵室
２２ 野菜室
２３ 冷凍室
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機を用いた冷凍システム及びそれを備えたスターリング冷蔵庫に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、ＣＦＣ（特定フロン）及びＨＣＦＣ系冷媒が冷凍・空調機器の作動流体として使われてきたが、ＣＦＣ系冷媒が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規制されている。また、新しく開発されたＨＦＣ系冷媒は、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。
【０００３】
これらの環境負荷の高いＣＦＣ、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ系冷媒を作動媒体とする蒸気圧縮式冷凍サイクルに代わる技術の一つとして、逆スターリングサイクルを利用するスターリング冷凍機を用いた冷凍装置の研究が進められている。スターリング冷凍機は、地球環境に影響を及ぼすことのないヘリウムなどの不活性ガスを作動媒体としており、外部動力により、ピストンを作動させることによって作動媒体の圧縮・膨張過程を繰り返し、高温熱源（一般的に環境雰囲気）への放熱と低温熱源（冷熱利用側）からの吸熱を行うものである。このスターリング冷凍機は、その内部に設けられた内部熱交換器の形状と大きさの制約により、ウォームセクションと呼ばれる高温部とコールドヘッドと呼ばれる低温部の表面積が限られていることが特徴で、効率よくスターリング冷凍機の高温部から熱を環境雰囲気へ、低温部からの冷熱を冷熱利用側へ搬送するのは重要である。
【０００４】
スターリング冷凍機で発生した冷熱を搬送する方法としては、様々な提案がなされている。例えば、エチルアルコールやブラインなどの冷熱搬送媒体を二次冷媒とし、この二次冷媒と顕熱による熱交換を行い、配管を通してスターリング冷凍機の冷熱を冷熱利用側に搬送することが考えられている。また、フィン付き熱交換器をスターリング冷凍機の低温部に直接取り付け、このフィンつき熱交換器で空気と熱交換させ、冷却された空気を冷蔵庫庫内などの冷熱利用空間へ送る方法もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
熱力学的視点から見ると、システム効率を向上させるために、冷熱の質を保ちながら、冷熱を冷熱利用側に伝熱することが望ましい。すなわち、冷熱搬送媒体を介して冷熱を搬送するにしろ、直接に熱交換器で冷熱を冷熱利用側に提供するにしろ、冷熱利用側で利用できる温度とスターリング冷凍機の低温部（冷熱提供側）の温度との差が小さければ小さいほど、熱搬送の効率は良くなる。
【０００６】
冷熱搬送媒体を利用する場合、熱交換器でスターリング冷凍機低温部から冷熱搬送媒体に冷熱が顕熱として伝達され、冷熱搬送媒体の温度が下がる。そして、配管接続した冷熱利用側の熱交換器で冷熱搬送媒体に蓄えた冷熱を冷熱利用側に伝達する。このとき、冷熱搬送媒体自身に温度差が生じることで、冷熱利用側で利用できる温度とスターリング冷凍機の低温部（冷熱提供）の温度との温度差が次第に拡大され、熱搬送の効率が低下する。また、冷熱搬送媒体を強制的に循環させる冷媒ポンプが必要である。従って、冷熱搬送媒体の顕熱を利用する方法では、スターリング冷凍装置のシステム効率を損ないかねないという問題がある。
【０００７】
それに対し、スターリング冷凍機の低温部に直接フィン付きの熱交換器を取り付け、或いはスターリング冷凍機の低温部を直接に冷熱利用側に密着させ、スターリング冷蔵庫を構成する提案では、小型冷蔵庫に対応できるが、大型の冷凍冷蔵庫（例えば、定格内容積４００Ｌクラス又はそれ以上）の庫内全体に効率よく冷熱を伝達させるのは難しいという問題があった。その原因としては、上述したように、高効率スターリング冷蔵庫は、内部熱交換器の形状や大きさにより、低温部と高温部がコンパクトにできており、熱交換器と接触できる面積が比較的小さいにもかかわらず、空気の熱伝達率が小さいため、空気との熱交換には比較的大きな伝熱面積が必要であることが考えられる。例えば、フィン付き熱交換器の場合、必要な伝熱容量が大きくなればなるほど大きな伝熱面積が必要となるので、それにつれてフィンを取り付ける基盤部を大きくしなければならない。その結果、基盤部を一様な温度に保つことができず、スターリング冷凍機の低温部から離れるほど温度が高くなってしまう。
【０００８】
また、スターリング冷凍機は、入力・出力が高温部と低温部の温度差に依存しており、安定した性能を得るためには、適切な運転条件を維持することが望ましい。特に、家庭用冷蔵庫に応用しやすいと考えられているリニアモータ−フリーピストン型スターリング冷凍機は、潤滑機構の代わりにエアベアリングを使用しており、頻繁の起動が寿命の短縮につながることがあるので、除霜時の対応が課題となっている。
【０００９】
また、スターリング冷凍機を用いた冷蔵庫は、従来の蒸気圧縮式サイクルの冷蔵庫に使われている放熱・冷却のための熱交換システムが根本的に違うことから、除霜を含めた全体の運転・制御に対し、更なる省エネが求められている。
【００１０】
本発明は、このような従来のスターリング冷蔵庫が抱える冷熱搬送手段の問題点に鑑みてなされたものであり、ポンプなどの外部動力に頼ることなく、冷熱を速やかに冷熱利用側に搬送して所望の冷却性能を得ることのできる省エネに有利なスターリング冷凍システムを提供することを目的とする。また、除霜前の状態への復帰が容易なスターリング冷凍システムを提供することを目的とする。更には、そのようなスターリング冷凍システムを備えた効率のよい大容量なスターリング冷蔵庫を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のスターリング冷凍システムは、逆スターリングサイクルによる作動ガスの圧縮熱を外部に放熱するための高温部と、前記逆スターリングサイクルによる前記作動ガスの膨張熱を外部から吸熱するための低温部とを有し、前記低温部に熱的に結合された低温側凝縮器と、この低温側凝縮器より低い位置にそれぞれ高度差をつけて設けた第１低温側蒸発器及び第２低温側蒸発器とをサーモサイフォンを構成するように順次連結した閉回路からなる低温側循環回路を備え、この低温側循環回路内を循環し、前記低温部の冷熱を搬送する冷熱搬送媒体を前記低温側循環回路内に封入し、前記第１低温側蒸発器の除霜時に、前記第２低温側蒸発器が単独で前記低温側凝縮器と一つの循環回路を形成し、又は前記第２低温側蒸発器の除霜時に、前記第１低温側蒸発器が単独で前記低温側凝縮器と一つの循環回路を形成するように前記低温側循環回路を切り替える手段を設けたことを特徴とする。また、本発明は、上記構成において、除霜の間も、前記スターリング冷凍機の運転を続けることを特徴とする。
【００１２】
この構成によると、スターリング冷凍機の低温部で得られた冷熱は、低温側循環回路を流れる冷熱搬送媒体の顕熱として搬送され、第１，第２低温側蒸発器において冷熱搬送媒体が蒸発する際の吸熱によって冷熱利用側に供給される。
【００１３】
このような低温側循環回路では、第１，第２低温側蒸発器は非常に低温になるため、着霜によって次第に冷却能力が低減する。そのため、定期的に除霜を行う必要がある。
【００１４】
本発明では、前記第１低温側蒸発器の除霜時に、前記第２低温側蒸発器が単独で前記低温側凝縮器と一つの循環回路を形成し、又は前記第２低温側蒸発器の除霜時に、前記第１低温側蒸発器が単独で前記低温側凝縮器と一つの循環回路を形成するように前記低温側循環回路を切り替える手段を設けることにより、除霜時の冷熱搬送媒体の流れを止める必要がなくなる。よって、除霜の間も、前記スターリング冷凍機の運転を続けることが可能である。
【００１６】
そして、このようなスターリング冷凍システムを備えた本発明のスターリング冷蔵庫は、前記第１低温側蒸発器を冷凍室の冷却用の冷熱源として用い、前記第２低温側蒸発器を冷蔵室の冷却用の冷熱源として用いたことを特徴とする。
【００１７】
この場合、前記第１低温側蒸発器及び前記第２低温側蒸発器を冷気送風用のダクトの内部に配置し、このダクト内の前記第１低温側蒸発器側の空間と前記第２低温側蒸発器側の空間とを連通可能な開閉式のダンパを設け、前記第１低温側蒸発器及び前記第２低温側蒸発器が同時に作動する際に、前記冷凍室又は前記冷蔵室に要求される熱負荷に応じて、前記ダンパを開閉するようにすると、第１低温側蒸発器の余分な冷凍能力を必要に応じて冷蔵室に分配することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明による第１の実施形態に係るスターリング冷凍システムの基本構成を説明する概念図である。図１に示すスターリング冷凍システムは、高温部２と低温部３を有するヘリウムや窒素などの作動媒体を封入したスターリング冷凍機１、高温側熱交換サイクル６及び低温側熱交換サイクル１０から構成されている。
【００１９】
図１に示すように、高温側熱交換サイクル６は、配管６１，６２で接続した高温側蒸発器４と高温側凝縮器５とから構成されており、水やハイドロカーボンなどの自然冷媒を封入し、サーモサイフォン原理で熱を搬送・放出する。この場合、高温側凝縮器５を高温側蒸発器４より高い位置に設ける。いうまでもなく、高温側熱交換サイクル６は、スターリング冷凍機１から発生した熱を外部環境へ放出するのが目的で、その他の放熱手段（例えば、ヒートシンク）を使ってもよい。
【００２０】
また、低温側熱交換サイクル１０は、低温側凝縮器７と第１低温側蒸発器８と第２低温側蒸発器９を有し、これらを配管１０１，１０２，１０３で順次接続することにより形成されている。そして、図示の如く、低温側凝縮器７を第１，第２低温側蒸発器８，９より高い位置に設けている。この実施の形態においては、低温側循環回路内の冷熱搬送媒体として、二酸化炭素やハイドロカーボンなどの自然冷媒を用いている。
【００２１】
図１に示すスターリング冷凍機１は、例えば、パワーピストンとディスプレーサをシリンダ内部に有するリニアモータ−フリーピストン型であり、パワーピストンの駆動にリニアモータを用いるものを好適に使用できる。もちろん、他の種類のスターリング冷凍機であってもよい。
【００２２】
リニアモータの駆動により、スターリング冷凍機１の高温部２の温度が高くなり、低温部３の温度が低くなる。高温部２に取り付けた高温側蒸発器４で熱搬送媒体が加熱されて蒸発し、高温側蒸発器４より高い位置に設置した高温側凝縮器５に流入する。高温側凝縮器５で飽和状態の水蒸気が外部の空気に冷却され、放熱・凝縮し、ほぼ液体の状態で高温側蒸発器４に戻る。このように、熱搬送媒体の自然循環ができ、サーモサイフォン原理で熱を搬送する。高温側凝縮器５での外部空気との熱交換は、空気の自然対流又は強制対流のどちらによって行ってもよい。
【００２３】
図７は、サーモサイフォンを利用した低温側熱交換サイクルの原理を示す模式的な図である。この図に示すように、スターリング冷凍機１の低温部３に取り付けた低温側凝縮器７で二酸化炭素が冷やされて凝縮し、ほぼ液体の状態で配管１０１を通して第１低温側蒸発器８に流入する。第１低温側蒸発器８は、第２低温側蒸発器９の真下にある。そのため、低温側凝縮器７から配管１０１を流れ落ちて第１低温側蒸発器８に流入する液体の二酸化炭素の重力の方が、配管１０３から第２低温側蒸発器９に流入する液体の二酸化炭素の重力より大きくなり、しかも、第１低温側蒸発器８でガス化した二酸化炭素は、配管１０２を通して第２低温側蒸発器９に向かって上昇する流れを作る。更に、第２低温側蒸発器９でガス化した二酸化炭素は、低温側凝縮器７の方に逆流する流れを作る。よって、低温側凝縮器７で凝縮した二酸化炭素は、専ら第１低温側蒸発器８の方へ流れ落ちるようになる。
【００２４】
第１低温側蒸発器８で二酸化炭素の一部が冷熱利用側の空気に加熱され、吸熱・蒸発する。更に、第１低温側蒸発器８から流出した二相状態の二酸化炭素が第２低温側蒸発器９に流入し、吸熱することにより、液の大部分が蒸発する。そして、第２低温側蒸発器９から流出した二酸化炭素が圧力差により低温側凝縮器７に送られる。この圧力差は、低温側凝縮器７と第１，第２低温側蒸発器８，９との高度差及び二酸化炭素の液と気体の比重差によるものである。つまり、低温凝縮器７の出口から第１低温側蒸発器８の入口までの配管１０１には液状態の二酸化炭素がほとんどで、一方、第２低温側蒸発器９から流出した二酸化炭素がほとんど気体であるため、比重の大きい液体の二酸化炭素が重力により配管１０１を落下することにより、比重の軽い気体の二酸化炭素が押し出される形で自然に図１に示す矢印の方向に循環する。このように、冷熱搬送媒体の二酸化炭素の潜熱によってスターリング冷凍機の冷熱が冷熱利用側に運ばれる。
【００２５】
低温側熱交換サイクル１０への二酸化炭素の封入量は、第１，第２低温側蒸発器８，９がいずれも正常に作動するように、このサイクル１０の内容積などに基づいて決められる。しかし、第２低温側蒸発器９は第１低温側蒸発器８より位置が高いので、第２低温側蒸発器９を単独で作動させようとしても、液体の二酸化炭素が第２低温側蒸発器に入らず正常に作動しないことも考えられる。従って、第２低温側蒸発器９を常に正常に作動させるためには、第１低温側蒸発器８から第２低温側蒸発器９へ充分な液量の二酸化炭素を供給することが必要である。そのため、本発明では第１低温側蒸発器８を充分な熱負荷で作動させるようにしている。
【００２６】
スターリング冷凍システムの運転中、周辺の空気に含まれる水分が凝縮して第１，第２低温側蒸発器８，９に着霜すると、次第に第１，第２低温側蒸発器８，９のフィンが目詰まりを起こし、冷却能力が低減するので、ヒータなどによる定期的な除霜が必要である。
【００２７】
＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態に係るスターリング冷凍システムの概念図である。図２に示すように、低温側熱交換サイクル１０の配管１０１に二酸化炭素の流れを遮断できる開閉弁１１を設け、第１，第２低温側蒸発器８，９の除霜時に開閉弁１１を閉め、除霜完了後に開閉弁１１を再び開く。除霜時に二酸化炭素の流れを遮断することにより、冷熱搬送媒体が循環回路を循環することなく、ヒータの発熱を局部的に第１，第２低温側蒸発器８，９に集中でき、除霜の時間が短縮できる。
【００２８】
また、冷熱搬送媒体が流れないので、低温側凝縮器７とスターリング冷凍機１の低温部３の温度上昇はほとんどない。更に、除霜中でもスターリング冷凍機１の出力を落としながらも運転を続けることにより、スターリング冷凍機１の低温部３と低温側凝縮器７を低温状態に保持でき、除霜後の速やかな復帰が実現できる。ノーストップ運転が実現できれば、スターリング冷凍機１の寿命もより長く持つ。
【００２９】
循環回路に開閉弁１１を設けずに、除霜を実施すると、除霜によって加熱された冷熱搬送媒体が循環回路を循環して、循環回路とスターリング冷凍機１の低温部３を全体的に温めることになり、除霜時間の延長が避けられない。また、除霜後の冷熱搬送媒体の低温状態への復帰にも時間を要することになる。
【００３０】
＜第３の実施形態＞
図３〜図５は、本発明の第３の実施形態のスターリング冷凍システムの概念図である。図３〜図５に示すように、低温側熱交換サイクル１０の配管１０１，１０２に三方弁１２，１３をそれぞれ設けている。そして、第１低温側蒸発器８と第２低温側蒸発器９がいずれもそれぞれ単独で低温側凝縮器７と一つの循環回路を形成するように、三方弁１２と配管１０２との間にバイパス管１０４を接続するとともに、三方弁１３と配管１０３との間にバイパス管１０５を接続している。これらの三方弁１２，１３の切り替えにより、冷熱搬送媒体の流れが変えられる。
【００３１】
図３に示すのは、通常運転の状態である。冷熱搬送媒体が低温側凝縮器７から流出し、第１低温側蒸発器８及び第２低温側蒸発器９を通過し、低温側凝縮器７に戻る。
【００３２】
図４に示すのは、スターリング冷凍機１の運転と低温側熱交換サイクル１０の動作を続けながら、第１低温側蒸発器８の除霜を行う状態である。三方弁１２の切り替えにより、低温側凝縮器７から第１低温側蒸発器８への流れが遮断される。また、三方弁１３の切り替えにより、第１低温側蒸発器８から第２低温側蒸発器９への流れが遮断される。
【００３３】
これにより、第１低温側蒸発器８の除霜時に、冷熱搬送媒体が第１低温側蒸発器８に流れ込まなくなる。そのため、ヒータによる少ない熱量で除霜できる。一方、低温側凝縮器７から冷熱搬送媒体が第２低温側蒸発器９に流入し、第２低温側蒸発器９で冷熱を放出し、再び低温側凝縮器７に戻る。なお、第１低温側蒸発器８を加熱して除霜を行うと、第１低温側蒸発器８に溜まっている冷熱搬送媒体の一部が蒸発して上部の配管１０２や低温側凝縮器７に移動する。これにより、除霜による第１低温側蒸発器８内の過圧を避けながら、第２低温側蒸発器９へ冷熱搬送媒体を供給できるようになる。
【００３４】
図５に示すのは、スターリング冷凍機１の運転と低温側熱交換サイクル１０の動作を続けながら、第２低温側蒸発器９の除霜を行う状態である。三方弁１２の切り替えにより、低温側凝縮器７から第２低温側蒸発器９への流れが遮断される。また、三方弁１３の切り替えにより、第１低温側蒸発器８から第２低温側蒸発器９への流れが遮断される。上記と同様に、第２低温側蒸発器９の除霜時に、冷熱搬送媒体が第２低温側蒸発器９へ流れ込まないから、ヒータによる少ない熱量で除霜できる。一方、低温側凝縮器７から冷熱搬送媒体が第１低温側蒸発器８に流入し、第１低温側蒸発器８で冷熱を放出し、再び低温側凝縮器７に戻る。なお、第２低温側蒸発器９の除霜を行うと、第２低温側蒸発器９に溜まっている冷熱搬送媒体の一部が蒸発して低温側凝縮器７に移動する。これにより、除霜による第２低温側蒸発器９内の過圧を避けながら、第１低温側蒸発器８へ冷熱搬送媒体を供給できるようになる。
【００３５】
この実施の形態によると、上記第２の実施形態（図２参照）に比べ、除霜中でも冷熱の提供を行えることが利点である。
【００３６】
＜第４の実施形態＞
図６は、本発明のスターリング冷凍システムを実現するスターリング冷蔵庫２０の一例の断面図である。図６に示す本実施形態のスターリング冷蔵庫２０は、上記第１〜第３の実施形態で説明したスターリング冷凍システム（スターリング冷凍機１、高温側熱交換サイクル６及び低温側熱交換サイクル１０からなる）を有している。
【００３７】
冷蔵庫２０の本体２４は断熱材により箱形状に形成され、その内部の空間は断熱性に優れた仕切板２５，２６により、上方から順に冷蔵室２１、野菜室２２及び冷凍室２３の三つの設定温度の異なる冷却室に仕切られている。スターリング冷凍機１を冷蔵庫本体２０背面の上部に設け、低温側熱交換サイクル１０（図１参照）の第１，第２低温側蒸発器８，９をスターリング冷凍機１より低い庫内冷気ダクト３０内に設けている。第１低温側蒸発器８は、主に冷凍室２３の冷却に使う。第２低温側蒸発器９は、主に冷蔵室２１と野菜室２２の冷却に使う。
【００３８】
この実施の形態においては、スターリング冷凍機１の高温側熱交換サイクル６がサーモサイフォン式であり、高温側蒸発器４と高温側凝縮器５を備えている。高温側凝縮器５は、本体２４のトップに設けた庫外の空気ダクト２７内に配設されている。
【００３９】
高温側蒸発器４と低温側凝縮器７とは、いずれも螺旋状の銅又はアルミニウム製のチューブで、熱又は冷熱の搬送媒体がその管内を流れる。スターリング冷凍機１の高温部２、低温部３と密着させる方法としては、高温側蒸発器４と低温側凝縮器７を環状の銅やアルミニウム製の金属ベースの外側面にロー付けし、これらの金属ベースをそれぞれスターリング冷凍機１の高温部２、低温部３に密着するように被せることも可能である。更に、これらの環状金属ベースの内側面に、スターリング冷凍機１の高温部２又は低温部３の側面と同様のテーパ角度を持たせれば、双方の接触面の密着性が更によくなる。
【００４０】
スターリング冷凍機１の運転を開始すると、高温部２の温度が上がり、高温側蒸発器４で熱搬送媒体が加熱されて蒸発し、配管６１を通って高温側凝縮器５に流入する。同時に、放熱用ファン１６の回転により、庫外の空気が吸込口２８から空気ダクト２７内に吸込まれ、高温側凝縮器５のフィン間を通過した後、吹出口２９から庫外に吹き出される。その際、熱搬送媒体は高温側凝縮器５で冷やされて凝縮する。凝縮した熱搬送媒体は、配管６２を通って流れ落ち、再び高温側蒸発器４に戻る。このように、熱搬送媒体の自然循環が行われ、スターリング冷凍機１の高温部２の熱が庫外に放熱される。
【００４１】
同様に、スターリング冷凍機１の運転により低温部３の温度が下がり、低温側凝縮器７で冷熱搬送媒体が冷却されて凝縮し、配管１０１を流れ落ちて低温側第１蒸発器８に流入する。同時に、第１ファン１４の回転により、庫内（主に冷凍室２３）の空気が第１低温側蒸発器８のフィン間を通過し、冷熱搬送媒体が吸熱・蒸発するとともに、庫内の空気が冷却される。この第１低温側蒸発器８から流出した冷熱搬送媒体は、配管１０２を通って二相状態で第１低温側蒸発器８より高い位置に配設されている第２低温側蒸発器９に流入する。また同時に、第２ファン１５の回転により、庫内（主に冷蔵室２１と野菜室２２）の空気が第２低温側蒸発器９のフィン間を通過し、冷熱搬送媒体の液が第２低温側蒸発器９で吸熱・蒸発するとともに、庫内の空気が冷却される。蒸発した冷熱搬送媒体は、配管１０３を通って上昇し、再び低温側凝縮器７に戻る。このように、冷熱搬送媒体の自然循環が行われ、スターリング冷凍機１の低温部３の冷熱が庫内の空気に提供される。
【００４２】
実際のスターリング冷蔵庫２０の使用時は、冷凍室２３、冷蔵室２１と野菜室２２の熱負荷に応じて第１，第２低温側蒸発器８，９で得られる必要冷熱を制御し、冷熱を冷凍室２３、冷蔵室２１と野菜室２２に分配する。例えば、冷蔵室２１と野菜室２２の温度が設定値の下限より低くなると、第２ファン１５の回転数を下げたり、停止したりするといった手法がある。
【００４３】
逆に、冷蔵室２１と野菜室２２の温度が設定値の上限より高くなった場合は、第２ファン１５の回転数を上げて冷気の送風を増やすことが考えられる。ただし、第２低温側蒸発器９を動作させる際は、同時に第１低温側蒸発器８も動作させることが望ましいから、第１低温側蒸発器８において充分な冷熱が得られるように制御しておく必要がある。この場合、冷凍室２３の必要熱負荷が第１低温側蒸発器８の得られる冷熱量に相当する出力より小さいのであれば、冷気ダクト３０に設けられている開閉式のダンパ１７を開いて、余分な冷熱を冷蔵室２１や野菜室２２へ提供すればよい。
【００４４】
或いは、冷凍室２３の温度が設定値の上限より高くなると、第１ファン１４の回転数を上げたり、第２ファン１５の回転数を下げたりするといった手法がある。
【００４５】
なお、第１，第２低温側蒸発器８，９の下方にそれぞれ除霜用ヒータ（図示せず）を設けている。このヒータによる除霜を有利にする手段として、まず一つに、上記第２の実施形態で述べたように、配管１０１の途中に開閉弁１１（図２参照）を設けることができる。例えば、第１低温側蒸発器８又は第２低温側蒸発器９若しくはその両方の除霜が必要であると判断されると、開閉弁１１を閉めるとともに、第１，第２蒸発器８，９の除霜用ヒータに通電して除霜を行う。除霜の間もスターリング冷凍機１の運転を続けて冷熱搬送媒体の低温状態を維持しておけば、除霜後開閉弁１１を開くことで、速やかに冷熱の提供を再開できる。
【００４６】
もっと有利な除霜手段として、上記第３の実施形態で述べたように、配管１０１，１０２に三方弁１２，１３（図３〜図５参照）を設け、バイパス管１０４で三方弁１２と配管１０２とを接続するとともに、バイパス管１０５で三方弁１３と配管１０３とを接続することも可能である。この場合、第１低温側蒸発器８（又は第２低温側蒸発器９）の除霜中にも冷熱搬送媒体が循環され、第２低温側蒸発器９（又は第１低温側蒸発器８）の動作を続けることができる。
【００４７】
例えば、図４に示すように、第１低温側蒸発器８の除霜時に、三方弁１２の切り替えにより、低温側凝縮器７から第１低温側蒸発器８への流れを遮断するとともに、三方弁１３の切り替えにより、第１低温側蒸発器８から第２低温側蒸発器９への流れを遮断する。そして、第１低温側蒸発器８の除霜用ヒータを通電させ、除霜を行う。一方、低温側凝縮器７からの流れが第２低温側蒸発器９に流入し、第２低温側蒸発器９で冷熱を放出し、再び低温側凝縮器７に戻る。
【００４８】
なお、第１低温側蒸発器８の除霜を行うと、冷熱搬送媒体は熱を受けるので、第１低温側蒸発器８に溜まっている冷熱搬送媒体の一部が蒸発して上部の配管１０２や低温側凝縮器７に移動する。同様に、第２低温側蒸発器９の除霜が必要になれば、図５に示すように、三方弁１２，１３を切り替え、第１低温側蒸発器８を作動させながら、第２低温側蒸発器９の除霜を行う。第１，第２低温側蒸発器８，９の除霜により生じたドレン水は、ドレン水排出口１８から排出される。
【００４９】
この実施の形態では、低温側凝縮器７及び高温側蒸発器４を螺旋状チューブとして説明したが、同じ目的が達成されれば、もちろん他の種類のものであってもよい。また、スターリング冷凍機１の低温部３に直接冷熱搬送媒体の流路を設けて、低温側凝縮器７の役割を担わすようにしてもよい。また、３つ以上の低温側蒸発器をそれぞれ高度差をつけて設けてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のスターリング冷凍システムは、スターリング冷凍機の低温部に熱的に結合された低温側凝縮器と、この低温側凝縮器よりも低い位置に高度差をつけて設けた二つの低温側蒸発器とをサーモサイフォンを構成するように順次連結した閉回路からなる低温側循環回路を備え、この低温側循環回路内に冷熱搬送媒体を封入してなっている。従って、サーモサイフォンを利用して冷熱搬送媒体の安定的な自然循環を得ることができ、各低温側蒸発器において蒸発する冷熱搬送媒体によって必要な冷熱を得ることができる。これにより、大容量かつ低消費電力のスターリング冷蔵庫をも実現できる。
【００５１】
この構成では、低い位置にある低温側蒸発器から二相状態で流れ出た冷熱搬送媒体は、それより高い位置にある低温側蒸発器に流入して大部分が蒸発し、更に高い位置の低温側凝縮器に至る冷熱搬送媒体の流れによって熱を受ける構成となっており、サーモサイフォンにしばしば見られる起動のしにくさや冷熱搬送媒体の逆流を防止できる。また、本発明によれば、低温側循環回路全体を加熱することなく、局部の加熱だけで除霜ができるから、除霜時間の短縮及び除霜後の速やかな復帰が実現できる。また、低温側蒸発器を同時に除霜させないことが可能であるので、除霜中でも庫内への冷熱の提供ができる。しかも、本発明によれば、除霜中にスターリング冷凍機の運転を停止する必要がないので、スターリング冷凍機の頻繁な起動による性能の劣化を抑えることができる。
【００５２】
冷蔵庫の冷凍室と冷蔵室では、一般に２０℃ほどの温度差があるので、それぞれの冷熱源として二つの低温側蒸発器を専用とすれば、熱交換効率がよくなるだけでなく、大きな熱交換量を得ることも可能となる。つまり、冷却ファンの消費電力をも増やさずに大きな冷熱が低温側蒸発器から得られる。この場合、冷凍室又は冷蔵室の熱負荷に応じて低温側蒸発器で得られる冷熱の量を制御でき、スターリング冷凍機の無駄な運転がなく、省エネが図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係るスターリング冷凍システムの基本構成を説明する概念図である。
【図２】 本発明の第２の実施形態に係るスターリング冷凍システムの基本構成を説明する概念図である。
【図３】 本発明の第３の実施形態に係るスターリング冷凍システムの基本構成を説明する概念図であり、通常の運転状態を示している。
【図４】 同上スターリング冷凍システムの概念図であり、第１低温側蒸発器の除霜を行う状態である。
【図５】 同上スターリング冷凍システムの概念図であり、第２低温側蒸発器の除霜を行う状態である。
【図６】 本発明の第４の実施形態に係るスターリング冷蔵庫の一例の断面図である。
【図７】 低温側熱交換サイクルの原理を説明する模式図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機
２ 高温部
３ 低温部
４ 高温側蒸発器
５ 高温側凝縮器
６ 高温側熱交換サイクル
７ 低温側凝縮器
８ 第１低温側蒸発器
９ 第２低温側蒸発器
１０ 低温側熱交換サイクル
１１ 開閉弁
１２，１３ 三方弁
１４ 第１ファン
１５ 第２ファン
２０ スターリング冷蔵庫
２１ 冷蔵室
２２ 野菜室
２３ 冷凍室
Claims (3)
- 逆スターリングサイクルによる作動ガスの圧縮熱を外部に放熱するための高温部と、前記逆スターリングサイクルによる前記作動ガスの膨張熱を外部から吸熱するための低温部とを有し、前記低温部に熱的に結合された低温側凝縮器と、この低温側凝縮器より低い位置にそれぞれ高度差をつけて設けた第１低温側蒸発器及び第２低温側蒸発器とをサーモサイフォンを構成するように順次連結した閉回路からなる低温側循環回路を備え、この低温側循環回路内を循環し、前記低温部の冷熱を搬送する冷熱搬送媒体を前記低温側循環回路内に封入し、前記第１低温側蒸発器の除霜時に、前記第２低温側蒸発器が単独で前記低温側凝縮器と一つの循環回路を形成し、又は前記第２低温側蒸発器の除霜時に、前記第１低温側蒸発器が単独で前記低温側凝縮器と一つの循環回路を形成するように前記低温側循環回路を切り替える手段を設けたことを特徴とするスターリング冷凍システム。
- 除霜の間も、前記スターリング冷凍機の運転を続けることを特徴とする請求項１に記載のスターリング冷凍システム。
- 請求項１または請求項２に記載のスターリング冷凍システムを備え、内部の空間が少なくとも設定温度帯の低い冷凍室及び設定温度帯の高い冷蔵室に区切られたスターリング冷蔵庫において、
前記第１低温側蒸発器を前記冷凍室の冷却用として用い、前記第２低温側蒸発器を前記冷蔵室の冷却用として用いることを特徴とするスターリング冷蔵庫。
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