JP2006145114A - 冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 スターリング冷凍機が発生する温熱を二次冷媒循環回路により放熱する冷却庫において、二次冷媒として用いるのが互いに沸点を異にする２種類以上の冷媒の混合液でありながら、成分の偏在による凍結を懸念せずに済む冷却庫を提供する。
【解決手段】 冷却庫１はスターリング冷凍機５０を冷熱源として庫内を冷却する。スターリング冷凍機５０の放熱部５１の温熱はサーモサイフォン循環回路６０と強制循環回路１１０により放熱される。サーモサイフォン循環回路６０と強制循環回路１１０の中の二次冷媒は双方に共通であり、沸点の異なる２種類以上の冷媒の混合液からなる。制御部１５は、外気温低下時には、スターリング機関５０の運転終了後も強制循環回路１１０の中の循環ポンプ１１１の運転を所定時間継続する。
【選択図】 図２

Description

本発明はスターリング冷凍機の吸熱部で発生した冷熱によって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、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で放熱と吸熱を行うにあたっては、二次冷媒を利用することが多い。すなわち放熱部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。吸熱部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。

上記のように二次冷媒を循環させ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１〜３に見ることができる。特許文献２には放熱部の温熱を冷媒配管により冷却室の開口部に伝えてこの箇所に結露が生じるのを防ぐ構成が開示されている。特許文献３には結露防止だけでなくドレンの蒸発促進や庫内冷却用熱交換器の除霜にも放熱部の温熱を利用する構成が示されている。また二次冷媒として互いに沸点の異なる２種類以上の冷媒の混合液を用いることがあるが、この種の冷却媒体については特許文献４に例がある。さらに特許文献５には、駆動装置で圧縮ピストンと膨脹ピストンを駆動するスターリング冷却装置において、前記駆動装置が停止したとき、圧縮室を冷却する水回路の運転を所定時間遅延させて停止させるようにしたスターリング冷却装置が開示されている。
特開２００２−２２１３８４号公報（第４頁−第５頁、図１−図２） 特開２００４−１０１０５０号公報（第４頁−第６頁、図１−図６） 特開２００４−２００５６号公報（第５頁−第１２頁、図１−図７） 特開平５−２３６７７３号公報（第２頁−第３頁、図１） 特開２０００−１８７４６号公報（第４頁−第６頁、図１−図９）

放熱を行うための冷媒として互いに沸点の異なる２種類以上の冷媒の混合液を用いる場合、沸点の違いにより場所によって二次冷媒の組成の偏りを生じ、外気温度低下時に凍結の問題が生じることがある。特許文献４には水にエチレングリコールのような不凍液を加えた混合液を冷却媒体とする例が紹介されている。この場合水の方が沸点が低いため、蒸発器内で水がより活発に沸騰する。その結果、蒸発器内では水の濃度が下がるとともに、凝縮器内では水の濃度が上がる。凝縮器のくびれ部や液戻り管など、液状態の冷媒が溜まりやすい箇所に、水濃度が高く凍結温度の高い冷却媒体が溜まると、外気温度が０℃以下に下がったとき、凍結を招くことになる。凍結が生じると冷却性能が低下する他、管の破損にもつながりかねない。

逆に、水よりも沸点が低い冷媒と水とを組み合わせる場合もある。エチルアルコールと水の組み合わせがそうである。エチルアルコールと水の混合液の場合、蒸発器内ではエチルアルコールがより活発に沸騰する。その結果、蒸発器内ではエチルアルコールの濃度が下がるとともに、凝縮器内ではエチルアルコールの濃度が上がる。水の濃度が上がり、エチルアルコールの濃度が下がると、混合液の凍結温度が上昇する。すなわち蒸発器に残った冷媒はより凍結しやすくなる。特許文献２、３に記載された装置のように、蒸発器の中の冷媒を冷却庫の加温対象箇所に送ることとすると、凍結しやすくなった冷媒が各所に分散し、凍結の危険が一層高まる。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、スターリング冷凍機が発生する温熱を二次冷媒循環回路により放熱する冷却庫において、互いに沸点の異なる２種類以上の冷媒の混合液を二次冷媒として用いるにも関わらず、二次冷媒の組成の偏りによる凍結の危険の少ない冷却庫を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、スターリング冷凍機の吸熱部の冷熱により庫内の冷却を行うとともに、このスターリング冷凍機が発生する温熱を放熱する二次冷媒循環回路を備え、この二次冷媒循環回路には二次冷媒を強制循環させる循環ポンプを設け、且つ、互いに沸点の異なる２種類以上の冷媒の混合液を二次冷媒として封入した冷却庫において、この冷却庫の制御部は、外気温が低いときには前記スターリング冷凍機の運転停止時に前記循環ポンプを駆動することを特徴としている。

この構成によると、沸点の違いにより場所によって冷媒の組成に偏りが生じた結果、二次冷媒の凍結しやすい箇所が生まれたとしても、外気温が低いときにはスターリング冷凍機の運転停止時に制御部が循環ポンプを駆動するので、二次冷媒の組成の偏りは是正され、凍結を懸念せずに済むようになる。

また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記二次冷媒循環回路は、前記スターリング冷凍機の放熱部に熱接続された高温側蒸発器と放熱用の高温側凝縮器との間で二次冷媒を自然循環させる第１の循環回路と、前記高温側蒸発器と冷却庫の加温対象箇所との間で二次冷媒を強制循環させる第２の循環回路からなり、前記第２の循環回路に前記循環ポンプが設けられていることを特徴としている。

第１の循環回路では、高温側凝縮器内で沸点の低い冷媒の濃度が高まるが、この冷媒はスターリング冷凍機の運転停止時、自然に凝縮して高温側蒸発器に戻る。これに対し第２の循環回路は冷却庫の加温対象箇所と高温側蒸発器との間に形成されているものであり、スターリング冷凍機の運転停止時、加温対象箇所から高温側蒸発器へ冷媒が自然に戻ることは考えにくいが、循環ポンプを備えているので強制循環が可能であり、その結果、第１循環回路の中の冷媒と第２循環回路の中の二次冷媒は良く混じり合う。これにより、二次冷媒の組成の偏りは速やかに是正される。

また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記第１の循環回路と第２の循環回路とを接続する配管及び弁装置を設け、前記制御部は、前記循環ポンプの運転時、第１の循環回路と第２の循環回路の両方に二次冷媒を強制循環させることを特徴としている。

この構成によると、循環ポンプの運転時、第１の循環回路と第２の循環回路の両方が二次冷媒の強制循環の対象となるので、沸点の低い冷媒が気化状態となっている箇所を液状の二次冷媒が通るとき、気化状態の冷媒はたちどころに液体冷媒に吸収され、二次冷媒の組成の偏りは速やかに是正される。

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運転停止から所定時間、前記高温側凝縮器を強制空冷する送風機の運転を継続することを特徴としている。あるいは、前記放熱部の温度を検知するセンサを設ける冷却庫にあっては、前記センサの検知温度が前記各冷媒の沸点のうち最低の沸点温度未満になるまで前記送風機の運転を継続させるようにしても良い。

この構成によると、スターリング冷凍機の運転を停止したとき、高温側凝縮器の中で気化状態にある沸点の低い冷媒を速やかに液体に戻し、高温側蒸発器の中の二次冷媒に合流させることができる。これにより、二次冷媒の組成の偏りを早期に是正できる。

また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記所定時間が、前記各冷媒の沸点のうち最低の沸点未満まで前記放熱部が温度低下するのに要する時間であ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運転停止時、高温側蒸発器における沸点の低い冷媒の気化を速やかに停止したうえ、気化していた沸点の低い冷媒を速やかに液に戻して高温側蒸発器内の二次冷媒に合流させることができ、二次冷媒の組成の偏りを早期に是正できる。そして、必要以上に送風機の運転を継続する無駄を無くすことができる。

本発明によると、スターリング冷凍機が発生する温熱を互いに沸点の異なる２種類以上の冷媒の混合液からなる二次冷媒により放熱するに際し、沸点の違いにより場所によって冷媒の組成に偏りが生じた結果、二次冷媒の凍結しやすい箇所が生まれたとしても、外気温が低いときにはスターリング冷凍機の運転停止時に制御部が循環ポンプを駆動して二次冷媒の組成の偏りを是正する。その結果、二次冷媒の凍結問題が生じにくくなる。

以下本発明の第１実施形態を図１−図５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は二次冷媒の流れ方の説明図、図４は強制循環回路の配管経路を説明する斜視図、図５は構成要素の運転タイミングチャートである。

冷却庫１は食品保存用であり、断熱筐体１０が本体を構成する。断熱筐体１０の内部は水平な仕切壁１１によって上下２段に仕切られており、上段は冷蔵室２０及び解凍室２５、下段は冷凍室３０という設定になっている。冷蔵室２０及び解凍室２５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。

冷蔵室２０の内部には複数段の棚板２２が設けられている。冷蔵室２０の最下部に隣接して断熱構造の解凍室２５がある。解凍室２５は、冷蔵室２０と断熱扉２１を共有する他、独自の断熱扉２６も備えている。

冷凍室３０には計４個の冷凍容器３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄが上下に重なる形で収納されている。冷凍容器３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄはそれぞれ両側縁部によって冷凍室１４の内面に支持されており、前方にスライドさせて引き出すことができる。

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の一部は温熱を放熱する放熱部５１となり、ここに高温側蒸発器６１が取り付けられる（図２参照）。放熱部５１と高温側蒸発器６１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。高温側蒸発器６１には２系統の二次冷媒循環回路が接続される。

高温側の第１の二次冷媒循環回路は、スターリング冷凍機５０の上に設置された高温側凝縮器６２と高温側蒸発器６１とを二次冷媒配管で接続して構成されるサーモサイフォン循環回路６０である。サーモサイフォン循環回路６０では二次冷媒は自然循環する。高温側の第２の二次冷媒循環回路は、断熱筐体１０の外壁内に配設された二次冷媒配管からなる強制循環回路１１０である。強制循環回路１１０では、二次冷媒は後述する循環ポンプにより強制循環せしめられる。サーモサイフォン循環回路６０と強制循環回路１１０は並列関係にある。これらサーモサイフォン循環回路６０と強制循環回路１１０には互いに沸点を異にする２種類以上の冷媒の混合液（例えばエチルアルコールと水の混合液）を密封する。

高温側蒸発器６１は中空リングを二つに割って合わせた形状であり、半割のリングのそれぞれの内部は互いに独立した蒸発室６１ａとなっている（図３参照）。このような形状にするのは次の理由による。すなわち高温側蒸発器６１が単一リングの形状であると、スターリング冷凍機５０の放熱部５１にしっかり接触させるためには、形状を厳しく管理して嵌め合い精度を確保することが必要になる。この点本実施形態のように高温側蒸発器６１が中空リングを二つに割って合わせた形状であれば、半割リング間にスターリング冷凍機５０の放熱部５１を挟んで締め付けるときの締付圧を調節することにより、接触圧のコントロールが可能なので、形状誤差により接触圧が不十分となり、放熱部５１との間の熱伝達率が低下するといった事態に陥ることが少ない。リングをさらに多くのブロックに分割しても同じことが言える。

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６３を取り付けた構造である。

図３に見られるように、高温側蒸発器６１の２個の蒸発室６１ａからはそれぞれサーモサイフォン循環回路６０の往路側二次冷媒配管６４が導出される。２本の往路側二次冷媒配管６４は高温側蒸発器６１の外で合流し、１本のパイプとなって高温側凝縮器６２に接続される。高温側凝縮器６２からは復路側二次冷媒配管６５が戻ってくるが、この復路側二次冷媒配管６５も高温側蒸発器６１の手前で分岐して２本のパイプとなり、そのパイプが１本ずつ蒸発室６１ａに接続される。

同様に強制循環回路１１０も２個の蒸発室６１ａからそれぞれ導出された後に合流し、また戻ってきたときは高温側蒸発器６１の手前で分岐して２本のパイプとなり、そのパイプが１本ずつ蒸発室６１ａに接続される構成になっている。なお強制循環回路１１０の構成は後で詳しく説明する。

スターリング冷凍機５０には、冷熱を外部に伝える吸熱部５２が放熱部５１と対をなす形で設けられる。この吸熱部５２に低温側凝縮器７１が取り付けられる（図２参照）。吸熱部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とは二次冷媒配管で接続され、低温側の二次冷媒循環回路７０を構成する。二次冷媒循環回路７０にはＣＯ２などの自然冷媒を封入する。低温側凝縮器７１は単一の中空リング形状であり、内部は凝縮室７１ａとなっている（図３参照）。

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７３を取り付けた構造である。

断熱筐体１０の内部には、背面側の内壁に沿って垂直方向に延びる冷却ダクト８０、８１が設けられる。冷却ダクト８０は奥側に位置し、冷却ダクト８１はその手前側に位置する。冷却ダクト８０は冷凍室３０の途中までの高さで終わるが、ダクト８１は冷蔵室２０の天井まで続く。

冷却ダクト８０の下端には冷凍室３０から庫内空気を吸い込む吸気口８２が設けられる。吸気口８２の上方には低温側蒸発器７２が設置され、さらにその上方には、冷却ダクト８１に空気を吹き出す送風機８３が設けられる。

解凍室２５は、冷凍食品の解凍に用いられるだけでなく、冷蔵室や冷凍室にも切換え使用可能である。このため解凍室２５は、ダンパ８６（図１参照）を介して冷却ダクト８１に連通しており、冷蔵室として使用するときは冷蔵温度を得るのに必要な量の冷気を冷却ダクト８１から取り入れ、冷凍室として使用するときは冷凍温度を得るのに必要な量の冷気を冷却ダクト８１から取り入れる仕組みになっている。

また図示しないが、冷蔵室２０及び解凍室２５から空気を回収する戻りダクトも断熱筐体１０に設けられている。戻りダクトは低温側蒸発器７２に向かい合う位置に吹出口を有し、回収した空気を低温側蒸発器７２に供給する。

スターリング冷凍機５０を運転すると、放熱部５１は高温となり、吸熱部５２は低温となる。放熱部５１の熱は外部に放熱すべき廃熱であるが、これはサーモサイフォン循環回路６０の二次冷媒に吸収された後、高温側凝縮器６２に伝えられる。吸熱部５２の冷熱は二次冷媒循環回路７０を介して低温側蒸発器７２に伝えられる。

ここで送風機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及び解凍室２５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（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（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。ダンパ８６が開いていれば解凍室２５にも冷気が送り込まれる。このようにして冷蔵室２０、解凍室２５、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、解凍室２５、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１５が上記の運転制御を司る。

なお高温側のサーモサイフォン循環回路６０は自然循環のみで十分に循環が成立するが、低温側の二次冷媒循環回路７０は自然循環だけでは必要な循環を得られないことがある。そのような場合には二次冷媒循環回路７０に循環ポンプを配置し、強制循環を行う。

スターリング冷凍機５０の運転効率を向上させるためには高温側凝縮器６２からの凝縮熱の放出を効率良く行う必要がある。この目的のため、空冷ダクト９０が高温側凝縮器６２に組み合わせられる。空冷ダクト９０は通風路の断面が矩形となった合成樹脂成型品であり、その入口部は高温側凝縮器６２の上面にあてがわれ、出口部は蓋４４の開口４７にあてがわれる。側面から見ると、空冷ダクト９０は入口部から出口部まで、水平に対し４５゜の角度をなして斜め上方に延びる形になっている。

空冷ダクト９０の中には高温側凝縮器６２を強制空冷するための送風機９１を挿入する。送風機９１はプロペラファンを２個、図１の奥行き方向に並べたものであり、送風方向は空冷ダクト９０の軸線に一致する。送風機９１は空冷ダクト９０の出口部から出し入れ可能であり、空冷ダクト９０の内面からダクト軸線と直交する形で突出する取付突部９３に図示しないビスで固定される。

送風機９１を運転すると、蓋４４の通風口４５から外部の空気が吸い込まれる。機械室４０に入った空気は高温側凝縮器６２を通り、高温側凝縮器６２が放出する凝縮熱を奪う。熱を奪った空気は空冷ダクト９０に吸い込まれ、さらに送風機９１に吸い込まれ、そこから機外へと斜め上方に向けて排出される。

機械室４０の蓋４４は単なる平板ではなく、中央が背面側に突き出し、その四周は斜面となった形状を有している。これらの斜面部のうち、斜め上を向いた斜面部に空冷ダクト９０の出口が開口する。このため、空冷ダクト９０の出口と冷却庫１を設置した部屋の壁面との間に一定以上の隙間が生じ、空気がスムーズに流れる。高温側凝縮器６２を空冷するためには大量の空気が必要であるが、その空気の排出経路がこのように確保されることにより、スターリング冷凍機５０を常に効率良く運転することができる。

放熱部５１の放熱する廃熱は冷蔵室２０及び冷凍室３０の開口部の結露防止にも利用される。これを実現するのが断熱筐体１０の外壁内に配設された強制循環回路１１０である。強制循環回路１１０の両端は、高温側蒸発器６１に接続する入口部１１０ａ及び出口部１１０ｂとなる。入口部１１０ａ及び出口部１１０ｂはいずれも、高温側蒸発器６１の２個の蒸発室６１ａから１本ずつ導出された２本のパイプにより構成される。なお図示実施形態では復路側二次冷媒配管６５が出口部１１０ｂに兼用されている。

入口部１１０ａを構成する２本のパイプは蒸発室６１ａを出てほどなく合流し、１本の強制循環回路１１０を構成する。１本化された強制循環回路１１０は断熱筐体１０の底部近くに配置された循環ポンプ１１１（図４参照）に接続される。循環ポンプ１１１は強制循環回路１１０内に二次冷媒を強制循環させるためのものである。

ポンプ１１１を出た強制循環配管１１０は、冷凍室３０の開口部の下縁を通った後、断熱筐体１０の奥の分岐点１１２に到る。分岐点１１２以降、強制循環配管１１０は２通りの経路に分かれる。すなわち第１配管部１１０ｃと第２配管部１１０ｄである。第１配管部１１０ｃはスターリング冷凍機５０よりも低い部位、具体的には冷凍室３０の開口部の左縁及び上縁と、冷蔵室２０の開口部の下縁を主たる配管領域とする。第２配管部１１０ｄはスターリング冷凍機５０よりも高い部位、具体的には冷蔵室２０の開口部の右縁、上縁、及び左縁を主たる配管領域とする。

第１配管部１１０ｃは、分岐点１１２を出た後、断熱筐体１０の背面側壁内を左に進む。左側壁に達した後、向きを変え、前面方向に進む。冷凍室３０の開口部に到ったところで上方に向きを変え、仕切壁１１まで進む。仕切壁１１に到ったところで右に向きを変え、仕切壁１１の前縁を右に進む。仕切壁１１の右端に到ったところで左に折り返し、今来たルートの上を左に進む。仕切壁１１の左端に戻ったら向きを変えて上方に進む。少し上昇したところで背面側に向きを変え、冷蔵室２０の左側壁内を背面方向に進む。それから機械室４０に入る。

第２配管部１１０ｄは、分岐点１１２を出た後、断熱筐体１０の右側壁内を前面方向に進む。冷凍室３０の開口部に到ったところで上方に向きを変え、この開口部及び冷蔵室２０の開口部の右縁を上昇する。冷蔵室２０の天井部の壁まで上昇したら左に向きを変え、冷蔵室２０の開口部の上縁を左に進む。冷蔵室２０の左側壁に到ったら向きを変え、下方に進む。第１配管部１１０ｃに近づいたら向きを変え、冷蔵室２０の左側壁内を背面方向に進む。それから機械室４０に入る。

第１配管部１１０ｃと第２配管部１１０ｄは機械室４０に入った後に合流し、１本の強制循環配管１１０となる。合流後の強制循環配管１１０は出口部１１０ｂで再び分岐し、２本のパイプとなって２個の蒸発室６１ａに接続する。このようにして、高温側蒸発器６１を出発して冷却庫１の加温対象箇所を一巡し、高温側蒸発器６１に帰還する強制循環回路１１０が完成する。

制御部１５は、スターリング冷凍機５０の運転中、常時、あるいは所定のタイミングで循環ポンプ１１１を駆動する。循環ポンプ１１１が駆動されるとスターリング冷凍機５０の廃熱を吸収した二次冷媒が強制循環回路１１０の中を流れ、配管領域の筐体外壁を加熱して結露を防止する。

強制循環回路１１０は、冷却庫１の外壁の内面に対し要所に緩衝材１１３を介在させる状態で保持される。緩衝材１１３は図１に示すように強制循環回路１１０をぐるりと取り巻いており、強制循環回路１１０がどのように位置ずれしても、強制循環回路１１０が断熱筐体１０の外壁の内面に直接接触することのないようになっている。

このようにしておけば、万一強制循環回路１１０が振動したとしても、その振動は冷却庫１の断熱筐体１０には伝わらず、断熱筐体１０によって振動や騒音が増幅されることがない。緩衝材１１３は振動吸収と熱伝導を両立させる必要があるので、それを満たす材質及び形状のものを選択する。

冷却庫１の運転を続けていると、庫内の空気中の水分が霜となって低温側蒸発器７２に付着する。霜は低温側蒸発器７２の熱交換効率を低下させるので、制御部１５は適宜のタイミングで霜取りヒータ（図示せず）に通電し、低温側蒸発器７２の除霜を行う。霜が溶けた除霜水は冷却ダクト８０の底部の除霜水受け１２０に受けられ、そこから排水管１２１を通じて庫外に排水される。

断熱筐体１０の底壁の下には排水管１２１から滴下する除霜水を貯留する除霜水貯留容器１３０が設置される。除霜水貯留容器１３０は浅皿状であり、冷却庫１の前面側から引き出して中に溜まった除霜水を捨てることができる。

強制循環回路１１０の一部は除霜水貯留容器１３０の下に配管されている。強制循環回路１１０の中の二次冷媒が運んでくる温熱により除霜水貯留容器１３０に溜まった除霜水は加熱され、温度上昇する。このため、除霜水の蒸発が促進され、除霜水を捨てる手間を減らすことができる。

さて、サーモサイフォン循環回路６０と強制循環回路１１０は高温側蒸発器６１を共有し、共通の二次冷媒が流れるものであるが、その配管領域は異なった性格を有する。すなわちサーモサイフォン循環回路６０は高温側蒸発器６１で蒸発した二次冷媒を受け入れ、その二次冷媒を凝縮させて高温側蒸発器６１に戻すものであり、高温側蒸発器６１よりも上のレベルが配管領域となっている。これに対し強制循環回路１１０は、高温側蒸発器６１から凝縮状態の二次冷媒を受け入れ、二次冷媒を液体のままで高温側蒸発器６１に戻すものであり、配管領域のかなりの部分が高温側蒸発器６１よりも下のレベルにある。このようにサーモサイフォン循環回路６０と強制循環回路１１０で配管領域及び受け入れる二次冷媒の状態が異なるため、次に述べるような現象が生じる。

放熱を行うための二次冷媒には、前述のように互いに沸点を異にする２種類以上の冷媒の混合液が用いられている。ここではエチルアルコールと水の混合液であるものとして説明を進める。この混合液が高温側蒸発器６１の中で加熱されると、沸点の低いエチルアルコールの方が気化しやすいので、サーモサイフォン循環回路６０にはエチルアルコール濃度の高い蒸気が送り込まれることになる。反面、高温側蒸発器６１に残った液体の二次冷媒はエチルアルコールの濃度が低下し、水の割合が増える。この液体の二次冷媒が強制循環回路１１０に流れ込むので、二次冷媒の組成を比較した場合、サーモサイフォン循環回路６０の中の二次冷媒はエチルアルコール濃度が高く、強制循環回路１１０の中の二次冷媒はエチルアルコール濃度が低いという、二次冷媒の組成の偏りが生じることになる。

スターリング冷凍機５０が運転を続けている間は、サーモサイフォン循環回路６０の中の二次冷媒にも強制循環回路１１０の中の二次冷媒にも熱が供給され続けるので、冷媒の組成に偏りが生じていたとしても大きな問題にはならない。しかしながらスターリング冷凍機５０の運転が止まると状況が異なってくる。冷却庫１が寒冷な環境に置かれていた場合、サーモサイフォン循環回路６０も強制循環回路１１０も温度が低下し始める。ここで二次冷媒の凍結温度を考えてみると、サーモサイフォン循環回路６０の中の二次冷媒はエチルアルコール濃度が高いので凍結温度が低い。つまり凍結しにくい。これに対し強制循環回路１１０の中の二次冷媒はエチルアルコール濃度が低いので凍結温度が高い。つまり凍結が早く始まることになる。

二次冷媒が凍結すると、スターリング冷凍機５０の運転を再開しても二次冷媒の循環が阻害される。二次冷媒の循環が行われないと放熱も行われず、スターリング冷凍機５０の運転性能が低下する。また、二次冷媒の凍結が進んで体積が膨脹した場合には、配管が破裂する危険も生じる。従って、スターリング冷凍機５０を停止しても二次冷媒が凍結しないように対策を講じなければならない。上述のように強制循環回路１１０で凍結が生じやすい状態になっている場合は、この対策は喫緊の課題である。

そこで、スターリング冷凍機５０の運転終了後、二次冷媒の中のエチルアルコール濃度の均一化を図り、局所的に凍結しやすい箇所が生じないようにする。この目的のため、制御部１５に２個の温度センサを接続する。その１は断熱筐体１０の背面に配置された外気温度センサ１６（図１参照）であり、その２はスターリング冷凍機５０の放熱部５１に配置された放熱部温度センサ１７（図２参照）である。

外気温度センサ１６の検知する外気温度が所定温度以下の場合、制御部１５は、図５に示すように、スターリング冷凍機５０の運転終了後も循環ポンプ１１１を所定時間運転継続する。

スターリング冷凍機５０の運転が終了すると、放熱部５１による熱の供給がなくなるためサーモサイフォン循環回路６０に対する新しい蒸気の供給が行われなくなり、サーモサイフォン循環回路６０の中のエチルアルコール濃度の高い二次冷媒は凝縮して高温側蒸発器６１に戻るばかりとなる。サーモサイフォン循環回路６０からエチルアルコール濃度の高い二次冷媒が戻ってくると、高温側蒸発器６１の中の二次冷媒のエチルアルコール濃度が高まる。ここで、循環ポンプ１１１は運転を継続しているため、エチルアルコール濃度の高い二次冷媒が強制循環回路１１０に吸い込まれ、エチルアルコール濃度の低い二次冷媒が高温側蒸発器６１に戻される。強制循環を繰り返しているうちに、二次冷媒の中のエチルアルコール濃度は次第に均一化されて行く。エチルアルコール濃度の均一化が達成されるタイミングを見計らって、制御部１５は循環ポンプ１１１の運転を終了する。

このようにエチルアルコールと水の濃度の比率を均一化することにより、エチルアルコール濃度が低く水の割合の多い箇所で凍結温度が上昇し、凍結を生じることを懸念せずに済む。

制御部１５は、図５に見られるように、循環ポンプ１１１が運転中であるかぎり送風機９１の運転を継続する。このため、スターリング冷凍機５０の運転終了後、高温側凝縮器６２の中で気化状態にあるエチルアルコールを速やかに液体に戻し、高温側蒸発器６１の中の二次冷媒に合流させることができ、二次冷媒の組成の偏りを早期に是正できる。

送風機９１の運転は、循環ポンプ１１１の運転中放熱部５１の温度がエチルアルコールの沸点温度未満に低下する（これは放熱部温度センサ１７によって検知できる）まで継続することとしてもよい。このようにすると、スターリング冷凍機５０の運転終了後速やかに高温側蒸発器６１におけるエチルアルコールの気化を停止したうえ、気化していたエチルアルコールは速やかに液体に戻して高温側蒸発器６１の中の二次冷媒に合流させることができ、二次冷媒の組成の偏りを早期に是正できる。

続いて、本発明の第２実施形態を図６に基づき説明する。図６は図２と同様の冷却サイクルの概略構成図である。

第２実施形態は、強制循環回路１１０とサーモサイフォン循環回路６０が弁装置１２０と配管１２１により接続されていることを特徴とする。弁装置１２０は三方弁によって構成され、強制循環回路１１０の中で高温側蒸発器６１に戻る少し手前の箇所に配置される。配管１２１は弁装置１２０と高温側凝縮器６２の入口部を連結するように配管されている。

スターリング冷凍機５０の運転中、制御部１５は強制循環回路１１０に本来の流れ、すなわち図６に実線矢印で示す流れが生じるように弁装置１２０を制御する。この時は循環ポンプ１１１による二次冷媒の強制循環は強制循環回路１１０の中だけに限定される。

スターリング冷凍機５０の運転終了時、外気温度が所定温度以下の場合は、制御部１５は弁装置１２０を配管１２１側に切り換えたうえで循環ポンプ１１１の運転を継続する。すると循環ポンプ１１１により強制循環される二次冷媒が配管１２１を通って高温側凝縮器６２に入り、高温側凝縮器６２を通り抜けて高温側蒸発器６１に戻ることになる。つまり強制循環回路１１０とサーモサイフォン循環回路６０の両方を合わせたものにまで循環ポンプ１１１による二次冷媒強制循環領域が拡大することになる。

これにより、エチルアルコール濃度の高い二次冷媒が気化状態となっているところへエチルアルコール濃度の低い液状の二次冷媒が送り込まれる。気化したエチルアルコールはたちどころに液状の二次冷媒に吸収されるので、二次冷媒の組成の偏りは速やかに是正される。

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に広く利用可能である。

本発明の第１実施形態に係る冷却庫の垂直断面図 冷却サイクルの概略構成図 二次冷媒の流れ方の説明図 強制循環回路の配管経路を説明する斜視図 構成要素の運転タイミングチャート 本発明の第２実施形態に係る冷却サイクルの概略構成図

符号の説明

１ 冷却庫
１０ 断熱筐体
１５ 制御部
１６ 外気温度センサ
１７ 放熱部温度センサ
２０ 冷蔵室
３０ 冷凍室
４０ 機械室
５０ スターリング冷凍機
５１ 放熱部
５２ 吸熱部
６０ サーモサイフォン循環回路（第１の二次冷媒循環回路）
６１ 高温側蒸発器
６２ 高温側凝縮器
７１ 低温側凝縮器
７２ 低温側蒸発器
９１ 送風機
１１０ 強制循環回路（第２の二次冷媒循環回路）
１１１ 循環ポンプ
１２０ 弁装置
１２１ 配管

Claims (5)

1. スターリング冷凍機の吸熱部の冷熱により庫内の冷却を行うとともに、このスターリング冷凍機が発生する温熱を放熱する二次冷媒循環回路を備え、この二次冷媒循環回路には二次冷媒を強制循環させる循環ポンプを設け、且つ、互いに沸点の異なる２種類以上の冷媒の混合液を二次冷媒として封入した冷却庫において、
   この冷却庫の制御部は、外気温が低いときには前記スターリング冷凍機の運転停止時に前記循環ポンプを駆動することを特徴とする冷却庫。
2. 前記二次冷媒循環回路は、前記スターリング冷凍機の放熱部に熱接続された高温側蒸発器と放熱用の高温側凝縮器との間で二次冷媒を自然循環させる第１の循環回路と、前記高温側蒸発器と冷却庫の加温対象箇所との間で二次冷媒を強制循環させる第２の循環回路からなり、前記第２の循環回路に前記循環ポンプが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
3. 前記第１の循環回路と第２の循環回路とを接続する配管及び弁装置を設け、前記制御部は、前記循環ポンプの運転時、第１の循環回路と第２の循環回路の両方に二次冷媒を強制循環させることを特徴とする請求項２に記載の冷却庫。
4. 前記制御部は、前記スターリング冷凍機の運転停止から所定時間、前記高温側凝縮器を強制空冷する送風機の運転を継続することを特徴とする請求項２に記載の冷却庫。
5. 前記所定時間が、前記各冷媒の沸点のうち最低の沸点未満まで前記放熱部が温度低下するのに要する時間であることを特徴とする請求項４に記載の冷却庫。

Images