JP3926377B1 - 冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】スターリング冷凍機の放熱に用いられる高温側サーモサイフォンが冷媒凍結温度以下の環境温度にさらされたとしても問題なく運転を継続できる冷却庫を提供する。
【解決手段】スターリング冷凍機５０のウォームヘッド５１には廃熱を放熱するための高温側サーモサイフォン６０が組み合わせられる。高温側サーモサイフォン６０は高温側蒸発器６１と高温側凝縮器６２を気相冷媒配管６４Ｇと液相冷媒配管６４Ｌで接続した密閉系の中に液状の二次冷媒６３を封入したものである。制御部１３は、環境温度が冷媒６３の凍結温度以下になったときは、スターリング冷凍機５０の運転を継続しつつ、高温側凝縮器６２を強制空冷する送風機９１の運転を停止する。運転を継続するスターリング冷凍機５０は、冷却空間の温度が目標温度を下回ったらストローク小、冷却空間の温度が目標温度を上回ったらストローク大となるように運転制御される。
【選択図】図４

Description

本発明はスターリング冷凍機を搭載した冷却庫に関する。「冷却庫」とは、食品その他の物品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」「ショーケース」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作動媒体として使用し、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作動媒体の圧縮・膨張を繰り返し、ウォームヘッド（放熱部）の温度を高めるとともにコールドヘッド（吸熱部）の温度を下げる。そしてウォームヘッドで周囲環境に放熱を行い、コールドヘッドで庫内から吸熱を行うものである。

スターリング冷凍機で放熱と吸熱を行うにあたっては、サーモサイフォンを利用することが多い。すなわちウォームヘッドには高温側蒸発器を取付け、その中の二次冷媒を温熱で蒸発させる。蒸発した二次冷媒は高温側凝縮器に送られ、そこで液体に復元して高温側蒸発器に戻る。コールドヘッドには低温側凝縮器を取付け、その中の二次冷媒を冷熱で凝縮させる。凝縮した二次冷媒は低温側蒸発器に送られ、そこで気体に復元して低温側凝縮器に戻る。

上記のようにサーモサイフォンを利用してスターリング冷凍機の温熱と冷熱を伝達する冷却庫の例を特許文献１、２に見ることができる。
特開２００２−２２１３８４号公報（［００２１］−［００３８］、図１、２） 特開２００４−１０１０５０号公報（［００１３］−［００３３］、図１−６）

スターリング冷凍機のウォームヘッドの放熱に用いられるサーモサイフォンは、スターリング冷凍機が稼働中であれば所定以上の温度に維持されるが、スターリング冷凍機が停止すると環境温度にまで温度が低下して行く。寒冷地で、しかも冬季の場合、環境温度が著しく低下し、冷媒の凍結温度を下回ることもあり得る。

凍結点が低く、冬季の寒冷地であっても凍結を懸念せずに済む冷媒も存在する。Ｒ２２などのフロン系冷媒、１３４ａなどの代替フロン系冷媒、炭化水素系冷媒、アンモニアなどがそれである。しかしながらフロン系冷媒は廃止されており、代替フロン系冷媒も廃止の方向にある。炭化水素系冷媒は可燃性で爆発の危険を伴い、アンモニアは毒性を持つ。いきおい、家庭用機器に用いられるサーモサイフォンの冷媒としては水や水とアルコールの混合液などが選択されるが、これらの冷媒は凍結点が高く、寒冷地の冬季の環境温度だと凍結することがある。そして凍結の結果サーモサイフォンが破裂する危険性をはらむ。

本発明は上記の問題に対処するためになされたもので、スターリング冷凍機の放熱に用いられるサーモサイフォンが冷媒凍結温度以下の環境温度にさらされたとしても問題なく運転を継続できる冷却庫を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するために本発明は、蒸発器と凝縮器を冷媒配管で接続した密閉系の中に液状の冷媒を封入し、前記蒸発器内で蒸発した冷媒を前記凝縮器内で凝縮させることにより、蒸発器から凝縮器へと冷媒の潜熱を利用して熱を移動させる高温側サーモサイフォンと、前記高温側サーモサイフォンによりウォームヘッドの放熱を行うスターリング冷凍機と、このスターリング冷凍機で冷却される冷却空間と、前記凝縮器を強制空冷する送風機と、前記スターリング冷凍機と前記送風機の運転を制御する制御部とを備えた冷却庫において、前記制御部は、環境温度が前記高温側サーモサイフォンの冷媒凍結温度以下になったとき、前記スターリング冷凍機の運転を継続しつつ、前記送風機の運転を停止することを特徴としている。

この構成によると、運転を継続するスターリング冷凍機の廃熱で高温側サーモサイフォンを加熱する一方、送風機の停止により高温側サーモサイフォンからの放熱を抑制し、高温側サーモサイフォン内の冷媒が凍結しないようにすることができる。

（２）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記制御部は、前記冷却空間の温度が目標温度を下回ったときには、前記スターリング冷凍機のストロークを小さくし、冷却空間の温度が目標温度を上回ったときには、スターリング冷凍機のストロークを大きくしてスターリング冷凍機の運転を継続することを特徴としている。

この構成によると、環境温度が高温側サーモサイフォンの冷媒凍結温度以下になるといった状況下で冷却空間の温度が目標温度を下回ったときには、スターリング冷凍機のストロークを小さくして、冷却空間が過度に冷却されるのを防ぐことができる。スターリング冷凍機のストロークを小さくして運転を続けた結果、冷却空間の温度が目標温度を上回ったときにはスターリング冷凍機のストロークを大きくして冷却能力を回復し、冷却空間の温度を目標温度に向け低下させることができる。

（３）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記制御部は、前記スターリング冷凍機のストロークを小さくしても前記冷却空間の温度が目標温度を回復しないときは、目標温度から所定温度降下した時点でスターリング冷凍機の運転を停止し、除霜モードに移行することを特徴としている。

この構成によると、スターリング冷凍機のストロークを小さくしただけでは冷却空間の温度低下を阻止できないときにはスターリング冷凍機の運転を停止し、冷却空間が過度に冷却されるのを防ぐことができる。またスターリング冷凍機の運転が止まっている間に除霜を行い、冷却空間を冷却する能力が落ちないようにすることができる。

（４）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記高温側サーモサイフォンの液相冷媒配管に凍結防止ヒータが付設され、前記制御部は、前記スターリング冷凍機の運転を停止している間前記凍結防止ヒータに通電することを特徴としている。

この構成によると、スターリング冷凍機が運転を停止して廃熱が産出されなくなったときは凍結防止ヒータが高温側サーモサイフォンの液相冷媒配管を加熱するから、スターリング冷凍機の運転停止に関わらず高温側サーモサイフォンの凍結を防ぐことができる。

本発明によると、スターリング冷凍機の廃熱を放熱する高温側サーモサイフォンの冷媒の凍結温度を環境温度が下回るようなことがあったとしても、適切な運転制御により冷媒の凍結を防ぐことができる。また、冷却空間の温度にも目配りして、冷却空間が過度に冷却されないようにすることができる。

以下本発明の第１実施形態を図１−４に基づき説明する。図１は冷却庫の垂直断面図、図２は冷却サイクルの概略構成図、図３は高温側サーモサイフォンの蒸発器の断面図、図４は冷却動作のフローチャートである。

冷却庫１は食品保存用であり、ベース１２によって床上に支えられる断熱筐体１０が本体を構成する。断熱筐体１０の内部の冷却空間は水平仕切壁１１により上下２段に仕切られており、上段は冷蔵室２０、下段は冷凍室３０という設定になっている。冷蔵室２０と冷凍室３０とは、共に前面（図１において左側）が食品を出し入れするための開口部となっており、この開口部を断熱扉２１、３１が閉ざす。

断熱筐体１０の背面部には機械室４０が形成される。機械室４０は板金製の部品を組み合わせて構成された直方体形状の構造物であり、背面側が開口している。この機械室４０の中にスターリング冷凍機５０が設置される。機械室４０は冷蔵室２０と冷凍室３０の間の高さに置かれている。

スターリング冷凍機５０を設置した後、機械室４０の背面側開口を蓋４４で閉ざす。蓋４４には、後述する高温側凝縮器を冷却する空気を取り入れるための通風口４５と、後述する空冷ダクトの出口を接続するための開口４７が形成されている。

スターリング冷凍機５０は逆スターリングサイクルにより温熱と冷熱を産出するものであり、温熱は廃熱として主としてウォームヘッド５１（図２参照）から放熱され、冷熱はコールドヘッド５２から取り出される。

ウォームヘッド５１から廃熱を放熱するのは高温側サーモサイフォン６０である。高温側サーモサイフォン６０は高温側蒸発器６１と高温側凝縮器６２を冷媒配管で接続した密閉系の中に液状の二次冷媒６３（図３参照）を封入したものである。二次冷媒６３は水（水溶液を含む）あるいは炭化水素系の冷媒からなる。

高温側蒸発器６１は銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属を中空のリング状に成形したものであり、ウォームヘッド５１の外周面に嵌合し、ウォームヘッド５１に熱接続される。高温側蒸発器６１の上面からは高温側凝縮器６２に接続する２本の冷媒配管が引き出される。一方の冷媒配管は蒸発して気体となった二次冷媒６３を高温側凝縮器６２に送る気相冷媒配管６４Ｇである。他方の冷媒配管は高温側凝縮器６２で凝縮して液体となった二次冷媒６３を高温側蒸発器６１に戻す液相冷媒配管６４Ｌである。

高温側凝縮器６２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６２ａを折り曲げ、これに、同じく熱伝導の良い金属からなる多数の放熱フィン６２ｂを取り付けた構造であり、送風機９１がこれを冷却する。高温側凝縮器６２の一端には気相冷媒配管６４Ｇが接続され、他端には液相冷媒配管６４Ｌが接続される。

高温側凝縮器６２はスターリング冷凍機５０の本体５３の上方に配置され、従って高温側蒸発器６１よりも位置が高い。この位置関係により、高温側凝縮器６２内の二次冷媒６３は凝縮すれば高温側蒸発器６１に戻る。また液相冷媒配管６４Ｌには凍結防止ヒータ６６を付設する（図２参照）。

コールドヘッド５２には低温側凝縮器７１が取り付けられる。コールドヘッド５２と低温側凝縮器７１は互いの間で熱を授受する状態、すなわち熱接続された状態にある。

冷凍室３０の奥には庫内を冷却する庫内冷却器としての役割を果たす低温側蒸発器７２が設置される。低温側凝縮器７１と低温側蒸発器７２とは冷媒配管で接続され、低温側サーモサイフォン７０を構成する。低温側サーモサイフォン７０にはＣＯ２などの自然冷媒を封入する。

低温側蒸発器７２も、高温側凝縮器６２と同様、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７２ａを折り曲げたうえで熱伝導の良い金属からなる多数の吸熱フィン７２ｂを取り付けた構造である。低温側蒸発器７２には除霜ヒータ７３が付設される。

スターリング冷凍機５０を運転すると、ウォームヘッド５１は高温となり、コールドヘッド５２は低温となる。ウォームヘッド５１の熱は外部に放熱すべき廃熱であるが、これは高温側サーモサイフォン６０の二次冷媒６３を蒸発させて二次冷媒６３の気体の中に潜熱として内在した後、高温側凝縮器６２の中で二次冷媒６３が凝縮することにより顕熱として解放され、環境中に放熱される。

コールドヘッド５２の冷熱は低温側サーモサイフォン７０を介して低温側蒸発器７２に伝えられる。送風機８３を運転すると、冷却ダクト８０の下端の吸気口８２から冷凍室３０の中の空気が吸い込まれ、低温側蒸発器７２を通過する。また前記図示しない戻りダクトを通じ、冷蔵室２０の中の空気が冷却ダクト８０に吸い込まれ、同じく低温側蒸発器７２を通過する。低温側蒸発器７２を通過する際に空気は冷却されて冷気となる。

冷気は送風機８３により冷却ダクト８１に吹き込まれ、冷却ダクト８１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８４を通じて冷蔵室２０に、また冷却ダクト８１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８５を通じて冷凍室３０に、それぞれ送り込まれる。このようにして冷蔵室２０及び冷凍室３０にはそれぞれ所定量の冷気が送り込まれ（または送り込まれず）、冷蔵室２０及び冷凍室３０はそれぞれ所定の温度に冷却される。断熱筐体１０の背面上部に設置された制御部１３が上記の運転制御を司る。

制御部１３は、図示しない温度センサにより、機外の温度、すなわち環境温度と、冷蔵室２０及び冷凍室３０の温度を検知する。なお本明細書では冷蔵室２０及び冷凍室３０の温度の総称として「冷却空間温度」という呼称を用いる。そして制御部１３は、温度検知結果に基づきスターリング冷凍機５０と送風機９１の運転を制御する。以下その制御の詳細を図４に基づき説明する。

図４の動作フローにおいて、冷却庫１の運転開始後、ステップ＃２０１で環境温度が高温側サーモサイフォン６０の冷媒６３の凍結温度よりも高いかどうかをチェックする。高ければステップ＃２０２へ進む。

ステップ＃２０２では冷却庫１を通常運転する。通常運転とは、スターリング冷凍機５０の内部でピストンとディスプレーサ（いずれも図示せず）を通常のストロークで往復させ、また送風機９１で高温側凝縮器６２を強制空冷する運転のことである。通常運転の間、所定タイミングでステップ＃２０３に進む。

ステップ＃２０３では冷却空間温度が所定の目標温度を下回ったかどうかをチェックする。そこまで至っていなければステップ＃２０２に戻って通常運転を継続する。冷却空間温度が目標温度を下回ったときはステップ＃２０４に進む。なお、目標温度を僅かでも下回ったら直ちにステップ＃２０４に進むというのでなく、「目標温度マイナス１℃」といった適宜の閾値を定め、そこに至ってはじめてステップ＃２０４に進むようにするのがよい。

ステップ＃２０４ではスターリング冷凍機５０と送風機９１の運転を停止する。そして所定タイミングでステップ＃２０５に進む。

ステップ＃２０５では冷却空間温度が目標温度を上回ったかどうかをチェックする。そこまで至っていなければステップ＃２０４に戻って運転停止を継続する。冷却空間温度が目標温度を上回ったときはステップ＃２０６に進む。なお、目標温度を僅かでも上回ったら直ちにステップ＃２０６に進むというのでなく、「目標温度プラス１℃」といった適宜の閾値を定め、そこに至ってはじめてステップ＃２０６に進むようにするのがよい。

ステップ＃２０６ではスターリング冷凍機５０と送風機９１を通常運転に戻す。そしてステップ＃２０１に戻ってサイクルを繰り返す。

ステップ＃２０１で環境温度が冷媒凍結温度以下であった場合にはステップ＃２０７に進む。ステップ＃２０７では送風機９１の運転を停止し、スターリング冷凍機５０の運転のみ継続する。このようにすることにより、運転を継続するスターリング冷凍機５０の廃熱で高温側サーモサイフォン６０を加熱する一方、送風機９１の停止により高温側サーモサイフォン６０からの放熱を抑制し、高温側サーモサイフォン６０の冷媒６３が凍結しないようにすることができる。送風機停止運転の間、所定タイミングでステップ＃２０８に進む。

ステップ＃２０８では冷却空間温度が所定の目標温度を下回ったかどうかをチェックする。そこまで至っていなければステップ＃２０７に戻って送風機停止運転を継続する。冷却空間温度が目標温度を下回ったときはステップ＃２０９に進む。この場合のチェックにもステップ＃２０３と同様の閾値を適用する。

ステップ＃２０９ではスターリング冷凍機５０のピストンとディスプレーサのストロークを小さく（ストロークダウン）して運転する。ストロークを小さくするにはスターリング冷凍機５０の駆動電圧を低下させれば良い。ストロークを小さくするとスターリング冷凍機５０の冷却能力が落ち、冷却空間はそれほど冷やされなくなる。ストロークダウン運転の間、所定タイミングでステップ＃２１０に進む。

ステップ＃２１０では冷却空間温度が目標温度を上回ったかどうかをチェックする。上回ったらステップ＃２１１に進む。この場合のチェックにもステップ＃２０５と同様の閾値を適用する。

ステップ＃２１１ではスターリング冷凍機５０のストロークを通常運転のレベルにまで大きく（ストロークアップ）する。そしてステップ＃２０１に戻ってサイクルを繰り返す。

ステップ＃２１０で冷却空間温度が目標温度を上回っていなかったらステップ＃２１２に進む。ステップ＃２１２では冷却空間温度が監視温度を下回ったかどうかをチェックする。監視温度はステップ＃２１０において目標温度に閾値を適用した温度よりさらに降下した温度に設定する。監視温度を下回っていなければステップ＃２０９に戻り、スターリング冷凍機５０のストロークダウン運転を継続する。監視温度を下回ったらステップ＃２１３に進み、スターリング冷凍機５０のストロークダウン運転を停止する。さらにステップ＃２１４に進み、除霜を行う。この時制御部１３は除霜ヒータ７３に通電するとともに凍結防止ヒータ６６にも通電する。これにより液相冷媒配管６４Ｌの中の冷媒６３は加熱され、環境温度が冷媒凍結温度以下で、スターリング冷凍機５０が廃熱を産出していないという状況にも関わらず、凍結を免れる。

所定時間経過後、除霜ヒータ７３と凍結防止ヒータ６６への通電を止める。そしてステップ＃２０１に戻り、冷却サイクルを再開する。

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、スターリング冷凍機を搭載し、そのスターリング冷凍機の廃熱の放熱にサーモサイフォンを用いる冷却庫に広く利用可能である。

冷却庫の垂直断面図 冷却サイクルの概略構成図 高温側サーモサイフォンの蒸発器の断面図 冷却動作のフローチャート

符号の説明

１ 冷却庫
１０ 断熱筐体
１３ 制御部
２０ 冷蔵室
３０ 冷凍室
４０ 機械室
５０ スターリング冷凍機
５１ ウォームヘッド
５２ コールドヘッド
６０ 高温側サーモサイフォン
６１ 高温側蒸発器
６２ 高温側凝縮器
６４Ｇ 気相冷媒配管
６４Ｌ 液相冷媒配管
６６ 凍結防止ヒータ
７０ 低温側サーモサイフォン
７１ 低温側凝縮器
７２ 低温側蒸発器
７３ 除霜ヒータ
９１ 送風機

Claims (4)

1. 蒸発器と凝縮器を冷媒配管で接続した密閉系の中に液状の冷媒を封入し、前記蒸発器内で蒸発した冷媒を前記凝縮器内で凝縮させることにより、前記蒸発器から前記凝縮器へと冷媒の潜熱を利用して熱を移動させる高温側サーモサイフォンと、前記高温側サーモサイフォンによりウォームヘッドの放熱を行うスターリング冷凍機と、前記スターリング冷凍機で冷却される冷却空間と、前記凝縮器を強制空冷する送風機と、前記スターリング冷凍機と前記送風機の運転を制御する制御部とを備えた冷却庫において、
   前記制御部は、環境温度が前記高温側サーモサイフォンの冷媒凍結温度以下になったとき、前記スターリング冷凍機の運転を継続しつつ、前記送風機の運転を停止することを特徴とする冷却庫。
2. 前記制御部は、前記冷却空間の温度が目標温度を下回ったときには、前記スターリング冷凍機のストロークを小さくし、前記冷却空間の温度が目標温度を上回ったときには、スターリング冷凍機のストロークを大きくしてスターリング冷凍機の運転を継続することを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
3. 前記制御部は、前記スターリング冷凍機のストロークを小さくしても前記冷却空間の温度が目標温度に回復しないときは、目標温度から所定温度降下した時点でスターリング冷凍機の運転を停止し、除霜モードに移行することを特徴とする請求項２に記載の冷却庫。
4. 前記高温側サーモサイフォンの液相冷媒配管に凍結防止ヒータが付設され、前記制御部は、前記スターリング冷凍機の運転を停止している間前記凍結防止ヒータに通電することを特徴とする請求項３に記載の冷却庫。

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