JP6902102B2

JP6902102B2 - 冷凍装置

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Publication number: JP6902102B2
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Inventors: 章博太田; 川上　崇; 川上　　崇; 頼雄高橋; 宏之佐藤
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Description

本発明は冷凍装置に関し、特に冷媒を凝縮した後、蒸発させて冷却作用を発揮する冷凍装置に関する。

従来、冷凍機の冷却部に接続されるヒートパイプを介して、冷凍機と低温貯蔵室との間で熱交換を行う冷凍装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された冷凍装置では、ヒートパイプ内の圧力を調節するガス溜め部が設けられていた。

特開平８−３２０１６５号公報

ヒートパイプは、封入された冷媒の液化を利用して伝熱する仕組みである。このため、伝熱時、つまり冷凍機の運転中に比べて、非伝熱時、つまり冷凍機の停止中において、ヒートパイプの内圧が大幅に上昇する。したがって、冷凍機の運転中にヒートパイプに外気が侵入すると、冷凍機が停止した際にヒートパイプの内圧が過剰となり、ヒートパイプの破損や破裂につながるおそれがある。このため、ヒートパイプを備える冷凍装置では、ヒートパイプへの外気の侵入を抑制することが望まれる。本発明者らは、ヒートパイプを備える冷凍装置について鋭意研究を重ねた結果、従来の冷凍装置には、ヒートパイプへの外気侵入の抑制に関して改善の余地があることを認識するに至った。

本願はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒートパイプへの外気の侵入を抑制するための技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願のある態様は冷凍装置である。当該冷凍装置は、冷凍機と、冷凍機と熱交換可能に接続されて冷媒を凝縮する凝縮部、保存対象物が収容される貯蔵室と熱交換可能に接続されて冷媒を蒸発させる蒸発部、及び凝縮部と蒸発部との間で冷媒を循環させる配管部を有するヒートパイプと、ヒートパイプの温度を検出するヒートパイプ温度センサと、ヒートパイプ温度センサの検出結果に基づいて、冷凍機の駆動を制御する制御部とを備える。制御部は、ヒートパイプの温度が冷媒の標準沸点を下回らないように冷凍機を制御する。

本願によれば、ヒートパイプへの外気の侵入を抑制することができる。

実施の形態１に係る冷凍装置を搭載する低温貯蔵庫の概略構造を示す斜視図である。低温貯蔵庫の概略構造を示す背面図である。図２において破線で囲まれた領域Ａの拡大図である。実施の形態１に係る冷凍装置が実行する制御の一例を示すフローチャートである。実施の形態２に係る冷凍装置が実行する制御の一例を示すフローチャートである。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、庫内温度及び配管部温度の推移の一例を説明するための図である。図７（Ａ）は、実施の形態３に係る冷凍装置を搭載する低温貯蔵庫の概略構造を示す斜視図である。図７（Ｂ）は、低温貯蔵庫の概略構造を示す平面図である。実施の形態３に係る冷凍装置が実行する制御の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に用いられる「第１」、「第２」等の用語は、特に言及がない限りいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る冷凍装置を搭載する低温貯蔵庫の概略構造を示す斜視図である。図２は、低温貯蔵庫の概略構造を示す背面図である。図３は、図２において破線で囲まれた領域Ａの拡大図である。なお、図２は、低温貯蔵庫の内部を透視した状態を図示している。低温貯蔵庫１（１Ａ）は、例えば細胞や生体組織等の生体由来材料、薬剤、試薬等の低温保存に用いられる。低温貯蔵庫１は、上面が開放された断熱箱体２と、断熱箱体２に隣接して配置される機械室４とを有する。

断熱箱体２は、いずれも上面が開放された外箱２ａ及び内箱２ｂを有する。外箱２ａと内箱２ｂとの間の空間には、図示しない断熱材が充填される。断熱材は、例えばポリウレタン樹脂、グラスウール、真空断熱材である。内箱２ｂ内の空間は、貯蔵室６を構成する。貯蔵室６は、保存対象物が収容される空間である。目標とする貯蔵室６内の温度（以下では適宜、庫内温度と称する）は、例えば−５０℃以下である。貯蔵室６の所定位置には、庫内温度センサ４４が設けられる。庫内温度センサ４４は庫内温度を検知し、検知した温度に基づく検出値を生成して、後述する制御部３６に出力する。

断熱箱体２の上面には、パッキンを介して断熱扉８が設けられる。断熱扉８は、一端が断熱箱体２に固定され、当該一端を中心として回動自在に設けられる。これにより、貯蔵室６の開口が開閉自在に閉塞される。断熱扉８の他端側には、断熱扉８を開閉操作するための把手部１０が設けられる。内箱２ｂの断熱材側の壁面には、後述するヒートパイプ１６の蒸発部２６が配置される。これにより、蒸発部２６での冷媒の蒸発によって貯蔵室６内が冷却される。

機械室４は、本実施の形態の冷凍装置１２が収容される空間である。ただし、ヒートパイプ１６の配管部２８の一部と蒸発部２６とは、断熱箱体２内に配置される。機械室４は、貯蔵室６から離間して配置される。機械室４内に配置される冷凍機１４の冷却部２２、ヒートパイプ１６の凝縮部２４及び配管部２８の一部は、図示しない断熱材で覆われて周囲から断熱される。断熱材は、例えばウレタン樹脂、グラスウール、断熱ゴムである。断熱箱体２及び機械室４の構造は公知であるため、これ以上の詳細な説明は省略する。

冷凍装置１２は、貯蔵室６内を−５０℃以下の超低温まで冷却することができる装置である。冷凍装置１２は、冷凍機１４と、ヒートパイプ１６と、冷媒容器１８と、ヒートパイプ温度センサ４２と、制御部３６とを備える。

冷凍機１４は、ヒートパイプ１６の凝縮部を冷却するための装置である。冷凍機１４は、機械室４に設けられる。冷凍機１４としては、例えば、ギフォード・マクマホン式（ＧＭ）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、ソルベー冷凍機、クロードサイクル冷凍機、ジュール・トムソン式（ＪＭ）冷凍機等の従来公知の冷凍機を使用することができる。冷凍機１４は、外部の熱を吸収する冷却部２２を有する。冷凍機１４の構造は公知であるため、これ以上の詳細な説明は省略する。

ヒートパイプ１６は、冷媒の気化熱を利用して冷却対象を冷却する装置であり、冷凍機１４の冷却部２２と貯蔵室６内との間の熱交換を仲介する。ヒートパイプ１６は、凝縮部２４、蒸発部２６、及び配管部２８を有する。凝縮部２４は、冷凍機１４の冷却部２２と熱交換可能に接続される。凝縮部２４と冷却部２２とが熱交換することで、凝縮部２４内の冷媒が冷却されて凝縮し、液体になる。冷媒としては、例えばＲ７４０（アルゴン）、Ｒ５０（メタン）、Ｒ１４（テトラフルオロメタン）、Ｒ１７０（エタン）等の冷媒ガスを使用することができる。冷媒には、冷凍機１４において設定可能な貯蔵室６の目標温度の最低値よりも低い標準沸点温度を有するものが選定される。このことは、貯蔵室６がヒートパイプ１６により冷却されるため、外気温が超低温状態でない限り、貯蔵室６が冷媒の沸点以下とはなり得ないことからも理解できる。冷媒の標準沸点とは、大気圧（１ａｔｍ＝１０１３２５Ｐａ）下での沸点である。標準沸点は、文献値や公知の気液平衡曲線データから決定される値を採用することができる。

より具体的には図３に示すように、凝縮部２４は、凝縮フィン３０と、凝縮フィン３０の溝で構成される冷媒流路３２とを有する。そして、凝縮フィン３０が冷却部２２に接続される。冷却部２２の冷熱は、冷媒流路３２を流れる冷媒に凝縮フィン３０を介して伝達される。気体状の冷媒は、冷媒流路３２において液体になる。

凝縮部２４には、配管部２８の一端が接続される。より具体的には、配管部２８の一端は、冷媒流路３２に接続される。また、配管部２８の他端は、蒸発部２６に接続される。冷媒は、配管部２８を介して凝縮部２４と蒸発部２６との間で循環する。

蒸発部２６は、貯蔵室６と熱交換可能に接続される。本実施の形態では、蒸発部２６は、内箱２ｂの断熱材側の壁面に沿って延在している。凝縮部２４で液体となった冷媒は、配管部２８を介して蒸発部２６に流入する。そして、蒸発部２６において貯蔵室６内から吸熱して蒸発する。この冷媒の蒸発によって、貯蔵室６内が冷却される。蒸発部２６で気体となった冷媒は、配管部２８を介して凝縮部２４の冷媒流路３２に流入する。そして、凝縮部２４において再び凝縮されて液体になる。

凝縮部２４は、蒸発部２６よりも鉛直方向上方に配置される。したがって、凝縮部２４において液体になった冷媒は、重力により蒸発部２６に移送される。すなわち、本実施の形態のヒートパイプ１６は、重力により冷媒を循環させる、いわゆるサーモサイフォンである。

図１に示すように、本実施の形態の配管部２８は、奥側接続管２８ａと手前側接続管２８ｂとを有する。冷媒流路３２には、奥側接続管２８ａの一端と手前側接続管２８ｂの一端とが接続される。また、蒸発部２６は管状であり、奥側接続管２８ａの他端が蒸発部２６の一端に接続される。蒸発部２６の他端は、手前側接続管２８ｂの他端に接続される。

冷媒の一部は、冷媒流路３２から奥側接続管２８ａを介して蒸発部２６に流入する。この冷媒は、内箱２ｂの奥側（貯蔵室６背面側）を主に冷却しながら、蒸発部２６の下端に到達する。この過程で蒸発した気体状の冷媒は、奥側接続管２８ａを介して冷媒流路３２へ戻る。すなわち、蒸発部２６内及び奥側接続管２８ａ内で、液体状の冷媒と気体状の冷媒とが対向して流れる。このとき、液体冷媒が配管内の外側を流れ、気体冷媒が配管内の中心側を流れる。

また、冷媒の他の一部は、冷媒流路３２から手前側接続管２８ｂを介して蒸発部２６に流入する。この冷媒は、内箱２ｂの手前側（貯蔵室６の正面側）を主に冷却しながら、蒸発部２６の下端に到達する。この過程で蒸発した気体状の冷媒は、手前側接続管２８ｂを介して冷媒流路３２へ戻る。すなわち、蒸発部２６内及び手前側接続管２８ｂ内で、液体状の冷媒と気体状の冷媒とが対向して流れる。このとき、液体冷媒が配管内の外側を流れ、気体冷媒が配管内の中心側を流れる。

つまり、冷媒流路３２と蒸発部２６の下端部との間には、奥側接続管２８ａを含む第１系統の冷媒循環路と、手前側接続管２８ｂを含む第２系統の冷媒循環路とが形成されている。

また、本実施の形態のヒートパイプ１６は重力で冷媒を循環させる構造であるため、配管部２８は水平面に対して傾斜している。配管内を流れる液体冷媒の大部分は、配管の鉛直方向下側の半面の範囲を流れる。冷媒を円滑に循環させるためには、配管の傾斜角は大きいほうが好ましい。一方で、配管の傾斜角を大きくすると、低温貯蔵庫１の高さが高くなる。その結果、貯蔵室６に保存対象物を収容する際の作業性が低下する。このため、配管の傾斜角は１０度程度が好ましい。

なお、ヒートパイプ１６は、毛細管力により冷媒を循環させる構造であってもよい。この場合、例えば奥側接続管２８ａが往路部とされ、手前側接続管２８ｂが復路部とされて、冷媒流路３２、往路部、蒸発部２６及び復路部をこの順につなぐ冷媒の循環路が構成される。

冷媒容器１８は、ヒートパイプ１６に接続されて、ヒートパイプ１６の冷媒を貯留する貯蔵タンクである。冷媒容器１８は、配管３４を介して、凝縮部２４の冷媒流路３２に接続される。冷媒は、配管３４を介してヒートパイプ１６と冷媒容器１８との間を行き来することができる。ヒートパイプ１６内の圧力が高まると、一部の冷媒はヒートパイプ１６から冷媒容器１８に移動する。また、ヒートパイプ１６内の圧力が下がると、一部の冷媒は冷媒容器１８からヒートパイプ１６に移動する。これにより、ヒートパイプ１６内の圧力を調節することができる。ヒートパイプ１６の内圧は、大気圧以上に設定される。

ヒートパイプ温度センサ４２は、ヒートパイプ１６の温度を検出する。ヒートパイプ温度センサ４２により、実質的に冷媒の温度を測定することができる。本実施の形態では、ヒートパイプ温度センサ４２は、配管部２８の外側面に設置されて、配管部２８の温度（以下では適宜、配管部温度と称する）を検出する。配管部２８は、蒸発部２６に比べて貯蔵室６内からの温度の影響を受けにくい。また、配管部２８は、凝縮部２４に比べて冷却部２２からの温度の影響を受けにくい。したがって、配管部２８の温度を検出することで、より正確に冷媒の温度を測定することができる。

より好ましくは、ヒートパイプ温度センサ４２は、配管部２８における機械室４に延在する部分の温度を検出する。さらに好ましくは、ヒートパイプ温度センサ４２は、配管部２８における機械室４に延在する部分の中央部の温度を検出する。当該中央部は、機械室４に延在する部分の両端部から等距離にある中間点を含む領域である。ヒートパイプ温度センサ４２による温度検出は、局所的な熱の流入の影響を受けやすい。一方で、配管部２８は、断熱箱体２から機械室４にかけて延在している。また、機械室４における断熱箱体２との境界部には、境界部を経由した局所的な熱の流入が発生し得る。したがって、配管部２８における機械室４に延在する部分のうち断熱箱体２側の端部は、この局所的な熱の流入の影響を受けやすい。よって、配管部２８における機械室４に延在する部分の中央部の温度をヒートパイプ温度センサ４２が検出することで、より正確に冷媒の温度を測定することができる。また、ヒートパイプ温度センサ４２は、配管部２８の外側面のうち鉛直方向下方を向く領域に設置されることが好ましい。液状の冷媒は、配管部２８内の鉛直方向下側の領域を流れるためである。

ヒートパイプ温度センサ４２及び庫内温度センサ４４は例えば、熱電対、測温抵抗体等の温度に応じて電気的特性が変化するセンサである。熱電対は、基準接点の温度と測温接点の温度差に応じた熱起電力を、電圧として測温接点に出力する。そして、電圧値に応じた温度値を検出する。測温抵抗体は、例えばプラチナ薄膜測温抵抗体などである。プラチナ薄膜測温抵抗体としては、０℃での抵抗値が１００ΩであるＰＴ１００や、０℃での抵抗値が１０００ΩであるＰＴ１０００などがある。これらは、国内規格としてはＪＩＳＣ１６０４で規定されている。これらの測温抵抗体は、測温部の温度に応じて変化する抵抗値を測定する。そして、所定の変換式や変換表に準じて抵抗値を温度値に変換して出力する。各温度センサは、温度値を制御部３６に出力する。なお、制御部３６に送られる温度情報は直接の温度値でなくてもよく、温度値に応じた電圧値や電流値、抵抗値であってもよい。以下では適宜、これらを総称して検出値とする。ただし、使用されるセンサの種類によって温度値に対する電圧値等の変化が直線でない場合があるので、制御の際には考慮する必要がある。ヒートパイプ温度センサ４２及び庫内温度センサ４４としては、従来公知のものを用いることができる。また、ヒートパイプ温度センサ４２と庫内温度センサ４４とは、必ずしも同じ種類のセンサである必要はなく、最終的に同じスケールで検出値が出力されればよい。

制御部３６は、ヒートパイプ温度センサ４２の検出結果に基づいて、冷凍機１４の駆動を制御する。また、制御部３６は、ヒートパイプ１６の温度が冷媒の標準沸点を下回らないように冷凍機１４を制御する。制御部３６は、ハードウェア構成としてはアンプやデジタルシグナルプロセッサ、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現される。また、制御部３６は、ループ制御回路や、コンピュータプログラム等による制御ソフトウェアによって実現される。制御部３６がハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

以下に、本実施の形態の制御部３６が実行する制御について詳細に説明する。図４は、実施の形態１に係る冷凍装置が実行する制御の一例を示すフローチャートである。冷凍装置１２は、このフローが制御部３６により所定のタイミングで繰り返し実行されることで動作する。

本実施の形態の制御部３６は、ヒートパイプ温度センサ４２の検出結果に加え、庫内温度センサ４４の検出結果に基づいて、冷凍機１４の駆動を制御する信号を生成する。具体的には、図４に示すように、まずヒートパイプ温度センサ４２と庫内温度センサ４４とによって、配管部と庫内温度とが検出される（Ｓ１０１）。制御部３６は、ヒートパイプ温度センサ４２から配管部温度に応じた検出値を取得し、庫内温度センサ４４から庫内温度に応じた検出値を取得する。次に、配管部温度と冷媒の標準沸点との差が予め定められた所定値を超えるか判断される（Ｓ１０２）。これにより、配管部２８の温度が冷媒の標準沸点を下回るおそれの有無、言い換えれば冷媒の温度が標準沸点を下回るおそれの有無が判断される。当該所定値は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。

配管部温度と冷媒の標準沸点との差が所定値を超える場合（Ｓ１０２のＹ）、庫内温度に基づく冷凍機１４の制御信号が生成される（Ｓ１０３）。具体的には、制御部３６は、庫内温度センサ４４の検出結果に基づいて、具体的には庫内温度センサ４４から取得した検出値に応じた信号に基づいて、庫内温度が所定の目標温度に対して所定範囲内となるように、冷凍機１４の出力を調整する。例えば、制御部３６は、目標温度と現在の庫内温度との差を検出し、当該差に基づいて冷凍機１４の出力を調整する。目標温度は、例えば低温貯蔵庫１の使用者により設定される。所定範囲は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。

冷凍機１４の出力調整としては、従来公知の一般的な調整方法を採用することができる。このような出力調整としては、例えば、目標温度と現在の庫内温度との差が所定範囲内にある場合に出力を停止し、当該差が所定範囲を超えると出力を再開する、単純なオン／オフ制御が挙げられる。また、出力調整回路としてインバータ回路等を備え、冷凍機１４の出力を連続的に変更可能な場合は、いわゆるＰＩＤ制御によって連続的に出力値を調整してもよい。これにより、より安定した温度制御が可能である。

配管部温度と冷媒の標準沸点との差が所定値以下である場合（Ｓ１０２のＮ）、制限された冷凍機１４の制御信号が生成される（Ｓ１０４）。すなわち、庫内温度センサ４４の検出結果によらず冷凍機１４の出力が制限される。制御部３６は、ヒートパイプ温度センサ４２から取得した検出値に基づいて、配管部温度が冷媒の標準沸点を下回らないように冷凍機１４を制御する信号を生成する。この制御は、庫内温度の制御よりも優先される。所定値は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。

例えば、制御部３６は、ヒートパイプ１６に充填される冷媒の標準沸点を予め記憶している。そして制御部３６は、ヒートパイプ温度センサ４２の現在の検出値と、配管部温度が冷媒の標準沸点にある場合にヒートパイプ温度センサ４２が出力する検出値（この値は予め制御部３６に記憶されている）との差が、所定値以下になると、冷凍機１４の出力を制限する。一例として、制御部３６は、配管部温度と冷媒の標準沸点との差が所定値以下となった場合に、冷凍機１４の駆動を停止させる。また、他の例として、出力調整回路としてインバータ回路等を備え、冷凍機１４の出力を連続的に変更可能な場合は、冷凍機１４を継続的に駆動させつつ、配管部温度が冷媒の標準沸点を下回らないように冷凍機１４の出力を制限してもよい。

そして、ステップＳ１０３又はステップＳ１０４で生成された冷凍機１４の制御信号が冷凍機１４に出力され、設定された出力値で冷凍機１４が駆動する（Ｓ１０５）。本ルーチンにおいて冷凍機１４の出力が制限された結果、配管部温度が上昇し、次回以降のルーチンにおいて配管部温度と冷媒の標準沸点との差が所定値を超えると（Ｓ１０２のＹ）、庫内温度センサ４４の検出結果に基づく冷凍機１４の制御が再開される（Ｓ１０３）。

以上説明したように、本実施の形態に係る冷凍装置１２は、冷凍機１４と、ヒートパイプ１６と、ヒートパイプ温度センサ４２と、制御部３６とを備える。ヒートパイプ温度センサ４２は、ヒートパイプ１６の温度を検出する。制御部３６は、ヒートパイプ温度センサ４２の検出結果に基づいて、ヒートパイプ１６の温度が冷媒の標準沸点を下回らないように、すなわち標準沸点以上となるように冷凍機１４の駆動を制御する。ヒートパイプ１６の温度が冷媒の標準沸点を下回ると、冷媒の液化が進んで気液平衡状態がシフトし、ヒートパイプ１６の内圧が大気圧未満となり得る。これに対し、ヒートパイプ１６の温度が冷媒の標準沸点以上となるように冷凍機１４の駆動を制御することで、ヒートパイプ１６の内圧が大気圧未満となることを回避することができる。つまり、ヒートパイプ１６の温度が冷媒の標準沸点以上であれば、ヒートパイプ１６内の冷媒が大気圧以上の圧力下で気液平衡状態となっていることが保証される。この結果、ヒートパイプ１６への外気の侵入を抑制することができる。

ヒートパイプ１６への外気の侵入を抑制できれば、冷凍機１４が停止して冷媒の温度が上昇したとしても、ヒートパイプ１６の内圧が過度に上昇することを回避することができる。このため、ヒートパイプ１６の破損や破裂を防ぐことができる。また、外気の侵入によるヒートパイプ１６の腐食も回避することができる。また、ヒートパイプ１６の内圧を圧力センサで監視することで、ヒートパイプ１６の破損を防ぐことも考えられる。しかしながら、ヒートパイプ温度センサ４２を採用する方が、圧力センサを採用する場合よりもコストを低減することができる。

また、本実施の形態のヒートパイプ温度センサ４２は、ヒートパイプ１６のうち、凝縮部２４と蒸発部２６とを接続する配管部２８の温度を検出する。これにより、気液平衡状態にある冷媒の温度（気液平衡温度）をより正確に把握することができる。また、配管部２８のうち機械室４に延在する部分、さらにはその中央部の温度を検出することで、気液平衡温度をさらに正確に把握することができる。したがって、これらの部位の温度が冷媒の標準沸点を下回らないように冷凍機１４の駆動を制御することで、ヒートパイプ１６の内圧が大気圧未満となることをより確実に回避することができる。

以上説明したヒートパイプ１６の温度と内圧との関係、冷凍機１４の駆動制御によるヒートパイプ１６の内圧調整、及び設計庫内温度と冷媒の標準沸点との関係は、本発明者らが鋭意研究の結果見出したものである。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る冷凍装置は、制御部３６による制御の内容が実施の形態１に係る冷凍装置と大きく異なる。以下、実施の形態２に係る冷凍装置について、実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

実施の形態２に係る冷凍装置１２は、実施の形態１と同様に、冷凍機１４と、ヒートパイプ１６と、ヒートパイプ温度センサ４２と、庫内温度センサ４４と、制御部３６とを備える。制御部３６は、ヒートパイプ１６の温度が冷媒の標準沸点を下回らないように冷凍機１４を制御する。

また、本実施の形態の制御部３６は、図５に示すように、ヒートパイプ温度センサ４２及び庫内温度センサ４４の検出結果に基づいて冷凍機１４の駆動を制御する。図５は、実施の形態２に係る冷凍装置が実行する制御の一例を示すフローチャートである。このフローは、制御部３６により所定のタイミングで繰り返し実行される。

図５に示すように、まず庫内温度と配管部温度とが検出される（Ｓ２０１）。制御部３６は、庫内温度センサ４４から庫内温度に応じた検出値を取得し、ヒートパイプ温度センサ４２から配管部温度に応じた検出値を取得する。次に、制御部３６は、庫内温度に基づく第１制御値Ａと、配管部温度に基づく第２制御値Ｂとを生成する（Ｓ２０２）。

制御部３６は、庫内温度センサ４４により検出される庫内温度と貯蔵室６の目標温度との差に基づいて第１制御値Ａを生成し、ヒートパイプ温度センサ４２により検出される配管部温度と冷媒の標準沸点との差に基づいて第２制御値Ｂを生成する。一例として、庫内温度に基づく第１制御値Ａは、庫内温度が使用者の設定する目標温度にある場合に庫内温度センサ４４が出力する検出値（この値は予め制御部３６に記憶されている）と、庫内温度センサ４４によって検出される現在の庫内温度に対応する検出値との差から生成される。配管部温度に基づく第２制御値Ｂは、配管部温度が冷媒の標準沸点にある場合にヒートパイプ温度センサ４２が出力する検出値と、ヒートパイプ温度センサ４２によって検出される現在の配管部温度に対応する検出値との差から生成される。庫内温度の検出から第１制御値Ａの生成までの庫内温度制御と、配管部温度の検出から第２制御値Ｂの算出までの配管部温度制御とは、例えばＰＩＤ制御であり、それぞれ並行して実行される。庫内温度制御では、庫内温度が目標温度に対して所定範囲内に収まるように第１制御値Ａが設定される。所定範囲は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。配管部温度制御では、配管部温度が冷媒の標準沸点未満とならないように第２制御値Ｂが設定される。なお、実施の形態１で説明したとおり、冷媒の標準沸点が庫内温度の設定値よりも低い温度となるように、冷媒を選定すべきである。

そして、第１制御値Ａが第２制御値Ｂよりも小さい値であるか判断される（Ｓ２０３）。第１制御値Ａが第２制御値Ｂよりも小さい場合（Ｓ２０３のＹ）、第１制御値Ａに基づく駆動電圧が冷凍機１４に印加される（Ｓ２０４）。第１制御値Ａが第２制御値Ｂ以上の場合（Ｓ２０３のＮ）、第２制御値Ｂに基づく駆動電圧が冷凍機１４に印加される（Ｓ２０５）。この結果、第１制御値Ａと第２制御値Ｂのうち小さい方の制御値に基づいて生成される駆動電圧で冷凍機１４が駆動する（Ｓ２０６）。

本制御では、庫内温度制御と配管部温度制御のそれぞれに基づいて生成される制御値のいずれか（小さい方）に基づく駆動電圧が冷凍機１４に印加される。つまり、冷凍機１４への電圧の印加が連続する。これにより、冷凍機１４への給電が急激に変化することを回避することができる。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、庫内温度及び配管部温度の推移の一例を説明するための図である。図６（Ａ）に示すように、庫内温度の設定値（すなわち貯蔵室６の目標温度）が比較的高温であって冷媒の標準沸点と離れている場合、第１制御値Ａは第２制御値Ｂよりも常に小さい値となり得る。庫内温度制御では庫内温度が早期に設定値に到達するよう制御される。すなわち、ＰＩＤ制御における積分ゲインが高い。このため、一時において庫内温度がオーバーシュートし得る。また、庫内温度が低下している間は、庫内温度と配管部温度との温度差が大きい。庫内温度は設定値を超過した後に徐々に設定値に近づき最終的に安定するが、その過程で第１制御値Ａは徐々に小さくなる。このため、庫内温度と配管部温度との温度差は減少していく。

一方、図６（Ｂ）に示すように、庫内温度の設定値と冷媒の標準沸点とが近いと、庫内温度の低下中に一時的に第２制御値Ｂが第１制御値Ａよりも小さくなり得る。配管部温度制御では配管部温度が標準沸点を下回らないように制御する必要がある。このため、ＰＩＤ制御における積分ゲインを低く設定する必要がある。したがって、配管部温度制御における積分ゲインは、庫内温度制御における積分ゲインよりも低い。このため、庫内温度のオーバーシュートが回避され得る。また、庫内温度が低下している間は、第１制御値Ａが第２制御値Ｂよりも小さく、庫内温度と配管部温度との温度差が大きい。庫内温度が設定値に近づくと、ある時点で第２制御値Ｂが第１制御値Ａよりも小さくなる。冷凍機１４に入力される制御値は第１制御値Ａよりも小さい第２制御値Ｂとなるため、庫内温度と配管部温度との温度差は減少していく。このとき、庫内温度が低下して配管部温度に近づいていく。その後、庫内温度がさらに設定値に近づくと、第１制御値Ａが徐々に低下し、ある時点で第１制御値Ａが第２制御値Ｂよりも小さくなる。庫内温度と配管部温度との温度差はさらに減少していく。このとき、配管部温度が上昇して庫内温度に近づいていく。

以上説明したように、本実施の形態に係る冷凍装置１２によっても、ヒートパイプ１６の内圧が大気圧未満となることを回避することができる。この結果、ヒートパイプへの外気の侵入を抑制することができる。

（実施の形態３）
実施の形態３に係る冷凍装置は、冷凍機１４、ヒートパイプ１６及びヒートパイプ温度センサ４２の組み合わせを複数有する点が、実施の形態１，２に係る冷凍装置と大きく異なる。以下、実施の形態３に係る冷凍装置について、実施の形態１，２と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

図７（Ａ）は、実施の形態３に係る冷凍装置を搭載する低温貯蔵庫の概略構造を示す斜視図である。図７（Ｂ）は、低温貯蔵庫の概略構造を示す平面図である。低温貯蔵庫１（１Ｂ）に搭載される本実施の形態に係る冷凍装置１２は、冷凍機１４、ヒートパイプ１６及びヒートパイプ温度センサ４２の組み合わせを複数有する。ここでは一例として、第１の組み合わせとしての第１冷凍ユニット１２Ａと、第２の組み合わせとしての第２冷凍ユニット１２Ｂとを有する冷凍装置１２について説明する。なお、組み合わせの数は２つに限定されない。

第１冷凍ユニット１２Ａ及び第２冷凍ユニット１２Ｂがそれぞれ備える、冷凍機１４、ヒートパイプ１６、ヒートパイプ温度センサ４２の構成は、実施の形態１に係る冷凍装置１２と同様である。また、各冷凍ユニットの冷媒回路は、互いに独立している。また、冷凍装置１２は、第１冷凍ユニット１２Ａ及び第２冷凍ユニット１２Ｂで共通の制御部３６を備える。すなわち、１つの制御部３６によって、各冷凍ユニットの冷凍機１４が制御される。制御部３６は、第１冷凍ユニット１２Ａのヒートパイプ温度センサ４２及び第２冷凍ユニット１２Ｂのヒートパイプ温度センサ４２のそれぞれから信号を受信する。

制御部３６は、第１冷凍ユニット１２Ａ及び第２冷凍ユニット１２Ｂの冷凍機１４を、共通の配管部温度に基づいて制御する。本実施の形態の制御部３６は、第１冷凍ユニット１２Ａ及び第２冷凍ユニット１２Ｂの各ヒートパイプ温度センサ４２で検出された温度のうち最も低い温度に基づいて、各冷凍機１４の駆動を制御する。図８は、実施の形態３に係る冷凍装置が実行する制御の一例を示すフローチャートである。このフローは、制御部３６により所定のタイミングで繰り返し実行される。

図８に示すように、まず庫内温度と、第１冷凍ユニット１２Ａの配管部温度と、第２冷凍ユニット１２Ｂの配管部温度とが検出される（Ｓ３０１）。制御部３６は、庫内温度センサ４４（図２参照）から庫内温度の検出値を取得する。また、各冷凍ユニットのヒートパイプ温度センサ４２からそれぞれの配管部温度の検出値を取得する。次に、庫内温度に基づく第１制御値Ａと、第１冷凍ユニット１２Ａの配管部温度に基づく第２制御値Ｂ１と、第２冷凍ユニット１２Ｂの配管部温度に基づく第２制御値Ｂ２とが生成される（Ｓ３０２）。第１制御値Ａの生成方法は、実施の形態２における第１制御値Ａの生成方法と同様である。第２制御値Ｂ１及び第２制御値Ｂ２の生成方法は、実施の形態２における第２制御値Ｂの生成方法と同様である。

そして、第２制御値Ｂ１が第２制御値Ｂ２よりも小さい値であるか判断される（Ｓ３０３）。第２制御値Ｂ１が第２制御値Ｂ２よりも小さい場合（Ｓ３０３のＹ）、第２制御値Ｂ１が配管部温度に基づく代表制御値Ｃに定められる（Ｓ３０４）。第２制御値Ｂ１が第２制御値Ｂ２以上の場合（Ｓ３０３のＮ）、第２制御値Ｂ２が配管部温度に基づく代表制御値Ｃに定められる（Ｓ３０５）。

続いて、第１制御値Ａが代表制御値Ｃよりも小さい値であるか判断される（Ｓ３０６）。第１制御値Ａが代表制御値Ｃよりも小さい場合（Ｓ３０６のＹ）、各冷凍ユニットの冷凍機１４に第１制御値Ａに基づく駆動電圧が印加される（Ｓ３０７）。第１制御値Ａが代表制御値Ｃ以上の場合（Ｓ３０６のＮ）、各冷凍ユニットの冷凍機１４に代表制御値Ｃに基づく駆動電圧が印加される（Ｓ３０８）。この結果、各冷凍ユニットの冷凍機１４が駆動する（Ｓ３０９）。

本制御では、第１冷凍ユニット１２Ａの配管部温度に基づいて算出される第２制御値Ｂ１と、第２冷凍ユニット１２Ｂの配管部温度に基づいて算出される第２制御値Ｂ２のうち小さい方の制御値が、庫内温度に基づいて算出される第１制御値Ａと比較される。これにより、各冷凍ユニットのヒートパイプ１６の内圧を大気圧以上に維持しながら、各冷凍ユニットにおける出力バランスを一定にすることができる。この結果、庫内の温度分布を均一に保持することができる。また、各冷凍ユニットにおけるヒートパイプ１６の内圧をより確実に大気圧以上に維持することができる。

なお、第１冷凍ユニット１２Ａと第２冷凍ユニット１２Ｂとでそれぞれ独立に冷凍機１４の駆動制御が実行されてもよい。この場合、第１冷凍ユニット１２Ａでは、配管部温度に基づいて第２制御値Ｂ１が算出される。また、第２冷凍ユニット１２Ｂでは、配管部温度に基づいて第２制御値Ｂ２が算出される。また、制御部３６は、庫内温度に基づいて第１制御値Ａを算出する。この第１制御値Ａは、各冷凍ユニットに共通である。そして、第１冷凍ユニット１２Ａでは、第１制御値Ａと第２制御値Ｂ１との大きさが比較されて、値の小さい方の制御値に基づく駆動電圧が冷凍機１４に印加される。また、第２冷凍ユニット１２Ｂでは、第１制御値Ａと第２制御値Ｂ２との大きさが比較されて、値の小さい方の制御値に基づく駆動電圧が冷凍機１４に印加される。

本発明は、上述した各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態を組み合わせたり、当業者の知識に基づいて各種の設計変更などのさらなる変形を加えることも可能であり、当該組み合わせ、あるいはさらなる変形が加えられて生じる新たな実施の形態も本発明の範囲に含まれる。各実施の形態の組み合わせ、及び各実施の形態へのさらなる変形の追加によって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態及び変形それぞれの効果をあわせもつ。

以上説明した構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム等の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

４機械室、６貯蔵室、１２冷凍装置、１４冷凍機、１６ヒートパイプ、２４凝縮部、２６蒸発部、２８配管部、３６制御部、４２ヒートパイプ温度センサ、４４庫内温度センサ。

本発明は冷凍装置に利用可能である。

Claims

冷凍機と、
前記冷凍機と熱交換可能に接続されて冷媒を凝縮する凝縮部、保存対象物が収容される貯蔵室と熱交換可能に接続されて冷媒を蒸発させる蒸発部、及び前記凝縮部と前記蒸発部との間で冷媒を循環させる配管部を有するヒートパイプと、
前記配管部の温度を検出するヒートパイプ温度センサと、
前記ヒートパイプ温度センサの検出結果に基づいて、前記冷凍機の駆動を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記配管部の温度が前記冷媒の標準沸点を下回らないように前記冷凍機を制御することを特徴とする冷凍装置。
前記貯蔵室の温度を検出する庫内温度センサをさらに備え、
前記制御部は、前記ヒートパイプ温度センサ及び前記庫内温度センサの検出結果に基づいて前記冷凍機の駆動を制御し、
前記制御部は、前記庫内温度センサの検出結果に基づいて、前記貯蔵室の温度が所定の目標温度に対して所定範囲内となるように前記冷凍機を制御するとともに、前記配管部の温度と前記冷媒の標準沸点との差が所定値以下である場合に、前記庫内温度センサの検出結果によらず前記冷凍機の出力を制限し、前記配管部の温度と前記冷媒の標準沸点との差が前記所定値を超えた場合に、前記庫内温度センサの検出結果に基づく前記冷凍機の制御を再開する請求項１に記載の冷凍装置。
前記制御部は、前記配管部の温度と前記冷媒の標準沸点との差が前記所定値以下となった場合に、前記冷凍機の駆動を停止させる請求項２に記載の冷凍装置。
前記貯蔵室の温度を検出する庫内温度センサをさらに備え、
前記制御部は、前記ヒートパイプ温度センサ及び前記庫内温度センサの検出結果に基づいて前記冷凍機の駆動を制御し、
前記制御部は、前記庫内温度センサにより検出される前記貯蔵室の温度と前記貯蔵室の目標温度との差に基づいて第１制御値を生成し、前記ヒートパイプ温度センサにより検出される前記配管部の温度と前記冷媒の標準沸点との差に基づいて第２制御値を生成し、前記第１制御値と前記第２制御値のうち小さい方の制御値に基づいて前記冷凍機を制御する請求項１に記載の冷凍装置。
前記冷凍機は、前記貯蔵室から離間して配置される機械室に設けられ、
前記配管部は、一部が前記機械室に配置され、
前記ヒートパイプ温度センサは、前記配管部における前記一部の温度を検出する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷凍装置。
前記冷凍機、前記ヒートパイプ及び前記ヒートパイプ温度センサの組み合わせを複数有し、
前記制御部は、各ヒートパイプ温度センサで検出された温度のうち最も低い温度、または前記貯蔵室内の温度に基づいて、各冷凍機の駆動を制御する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷凍装置。
前記冷媒は、前記冷凍機において設定可能な前記貯蔵室の目標温度の最低値よりも低い標準沸点温度を有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の冷凍装置。