(57)【要約】【課題】スターリング冷熱供給システム１を起動した際のプルダウン時間の短縮を図る。【解決手段】作動ガスを圧縮膨張して冷熱を発生するスターリング冷凍機ユニット４と、該スターリング冷凍機ユニット４で発生した冷熱により２次冷媒を冷却して冷熱利用機器３に搬送する熱搬送装置６と、冷媒を圧縮する圧縮機７１と、冷媒を外気と熱交換させて凝縮させる凝縮器７２と、冷媒を減圧する減圧装置７４と、冷媒と２次冷媒とを熱交換させて、当該２次冷媒を冷却する蒸発器７５とを備えた冷媒チラーユニット８を設ける。そして、プルダウンする際には、スターリング冷凍機ユニット４及び冷媒チラーユニット８を運転して所定温度まで２次冷媒を冷却し、当該所定温度に達すると冷媒チラーユニット８の運転を停止してスターリング冷凍機ユニット４のみを運転するように制御する。【選択図】図１
2006145210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスを圧縮膨張させて冷熱を発生するスターリング冷凍機ユニットと、該スターリング冷凍機ユニットで発生した冷熱により２次冷媒を冷却し、この２次冷媒を冷熱利用機器に搬送する熱搬送装置とを備え、
冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を外気又は水と熱交換させて、この冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの冷媒を減圧する減圧装置と、該減圧装置で減圧された冷媒の蒸発作用で前記２次冷媒を冷却する蒸発器とを備えた冷媒チラーユニットを設けたスターリング冷熱供給システムにおいて、
前記スターリング冷熱供給システムを運転開始する際には、前記冷媒チラーユニット及び前記スターリング冷凍機ユニットを所定温度まで同時運転して前記２次冷媒を冷却し、当該所定温度に達すると前記冷媒チラーユニットの運転を停止して前記スターリング冷凍機ユニットのみを運転するように制御することを特徴とするスターリング冷熱供給システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング冷凍機ユニットを用いて発生した冷熱を冷熱利用機器に供給できるようにしたスターリング冷熱供給システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリング冷凍機ユニットは、小型化が可能であり、成績係数や冷凍効率が高く、発生する温度域が低くできる特徴を持つと共に、近年の地球環境問題におけるフロン代替（ヘリウムが使用可能）が容易である特徴を持っている。
【０００３】
このため冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式クーラー等の業務用又は家庭用の冷熱利用機器を始めとして、低温液循環器、低温恒温器、恒温槽、ヒートショック試験装置、凍結乾燥機、温度特性試験装置、血液・細胞保存装置、コールドクーラ、各種の計測装置等における冷熱供給源としての利用が検討されている。
【０００４】
図１１は、このようなスターリング冷熱供給システム１００の概略構成を示す回路図で、スターリング冷凍機ユニット１１０、該スターリング冷凍機ユニット１１０の廃熱を処理する冷却水装置１２０、熱搬送装置１３０等を有している（特許文献１、２参照）。
【０００５】
このようなスターリング冷凍機ユニット１１０は、図１２に示すように、圧縮ピストン１１１が圧縮シリンダ１１２内を往復運動することにより、これらの間で形成される圧縮空間１１３内の作動ガス（ヘリウム）を圧縮する圧縮部１１４、膨張ピストン１１５が膨張シリンダ１１６内を往復運動することにより、これらの間で形成される膨張空間１１７内の作動ガスを膨張させる膨張部１１８、圧縮空間１１３と膨張空間１１７とを連通させるガス流路Ｓに設けられた蓄熱部１１９等を有している。
【０００６】
そして、モータ１０９が駆動されてクランク機構１０８が回転動力を往復動力に変換し、この往復動力により圧縮ピストン１１１や膨張ピストン１１５が往復運動して、作動ガスを圧縮／膨張する。
【０００７】
圧縮された作動ガスはガス流路Ｓを通り、蓄熱部１１９で蓄熱して膨張空間１１７に移動し、ここで膨張することにより冷熱（吸熱作用）が発生する。
【０００８】
この冷熱により膨張部１１８の頭部に設けられたコールドヘッド１３１が冷却される。このコールドヘッド１３１には２次冷媒が循環しているので、この２次冷媒は冷却されて温度が下がる。
【０００９】
膨張部１１８で膨張した作動ガスは、蓄熱部１１９を通り圧縮部１１４へと戻り、１サイクルが終了する。
【００１０】
なお、膨張ピストン１１５は圧縮ピストン１１１に対して略９０度位相が進んで運動する。
【００１１】
熱搬送装置１３０は、２次冷媒がコールドヘッド１３１と冷熱利用機器１０１とを接続するように形成された２次冷媒回路を循環できるように圧送する２次冷媒ポンプ１３２等を有している。
【００１２】
ところで、作動ガスが圧縮部１１４で圧縮されると温度上昇するが、そのまま蓄熱部１１９を介して膨張部１１８に移動する作動ガスの温度が上昇して冷熱発生効率が低下してしまう。
【００１３】
そこで、当該圧縮部１１４から蓄熱部１１９に至る間のガス流路Ｓの周囲に冷却水装置１２０（図１２では図示省略している）が設けられて、ここを流動する作動ガスを冷却するようになっている。
【００１４】
この冷却水装置１２０は、図１１に示すように作動ガスと冷却水とを熱交換させる図示しない作動ガス側熱交換器、冷却水と大気とを熱交換させるラジエタ１２１、作動ガス側熱交換器とラジエタ１２１との間で冷却水を循環させる冷却水ポンプ１２２を有している。
【００１５】
これにより作動ガスが冷却され、その熱が大気に放熱されて、冷熱発生効率の向上が図られている。
【特許文献１】特開２００−１８６６１８号公報
【特許文献２】特開２００−１８６６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上記構成では、スターリング冷熱供給システム１００を起動させて２次冷媒を所望の温度（例えば、−８０℃）まで低下（以下、プルダウンと記載する）させるには、相応の時間を要する問題がある。
【００１７】
即ち、スターリング冷凍機ユニット１１０は、通常の圧縮、凝縮、減圧、蒸発を繰返す冷凍サイクルと異なり、ヘリウム等の作動ガスを圧縮、放熱、膨張、吸熱させるサイクルであるため、極低温域までの冷熱発生能力を持つものの、単位時間的な意味合いで冷熱の温度低下速度が大きくなく２次冷媒の冷却負荷の大きさによって２次冷媒を所望温度に到達させる時間が長くなってしまう。
【００１８】
従って、かかるスターリング冷凍機ユニット１１０、熱搬送装置１３０、冷熱利用機器１０１を所望の温度域までプルダウンするためには、相応の時間を要してしまう。
【００１９】
無論、図１３に示すように、複数台のスターリング冷凍機ユニット１１０を用いて、冷熱供給能力を高めることで、プルダウンに要する時間の短縮を図ることも可能であるが、かかる場合にはコストアップの要因になる問題がある。
【００２０】
そこで、本発明は、簡単、かつ、安価な構成で、プルダウン時間の短縮を図ると共に、スターリング冷凍機ユニットの冷熱発生能力を高めることができるようにしたスターリング冷熱供給システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するため、本発明は作動ガスを圧縮膨張させて冷熱を発生するスターリング冷凍機ユニットと、該スターリング冷凍機ユニットで発生した冷熱により２次冷媒を冷却し、この２次冷媒を冷熱利用機器に搬送する熱搬送装置とを備え、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を外気又は水と熱交換させて、この冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの冷媒を減圧する減圧装置と、該減圧装置で減圧された冷媒の蒸発作用で前記２次冷媒を冷却する蒸発器とを備えた冷媒チラーユニットを設けたスターリング冷熱供給システムにおいて、前記スターリング冷熱供給システムを運転開始する際には、前記冷媒チラーユニット及び前記スターリング冷凍機ユニットを所定温度まで同時運転して前記２次冷媒を冷却し、当該所定温度に達すると前記冷媒チラーユニットの運転を停止して前記スターリング冷凍機ユニットのみを運転するように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、作動ガスを圧縮膨張させて冷熱を発生するスターリング冷凍機ユニットと、該スターリング冷凍機ユニットで発生した冷熱により２次冷媒を冷却し、この２次冷媒を冷熱利用機器に搬送する熱搬送装置とを備え、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を外気又は水と熱交換させて、この冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの冷媒を減圧する減圧装置と、該減圧装置で減圧された冷媒の蒸発作用で前記２次冷媒を冷却する蒸発器とを備えた冷媒チラーユニットを設けたスターリング冷熱供給システムにおいて、前記スターリング冷熱供給システムを運転開始する際には、前記冷媒チラーユニット及び前記スターリング冷凍機ユニットを所定温度まで同時運転して前記２次冷媒を冷却し、当該所定温度に達すると前記冷媒チラーユニットの運転を停止して前記スターリング冷凍機ユニットのみを運転するように制御することにより、簡単、かつ、安価な構成で、プルダウン時間の短縮が図れるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
【実施例】
【００２４】
図１は第１の実施の形態の説明に適用されるスターリング冷熱供給システム１の回路図であり、図２はそのスターリング冷凍機ユニットの構成を示す図である。
【００２５】
このスターリング冷熱供給システム１は、冷熱を発生する１台のスターリング冷凍機ユニット４、該スターリング冷凍機ユニット４における作動ガスと熱交換して、その熱を放熱する冷却水装置５、２次冷媒（例えば、ＨＦＥ：ハイドロフロロエーテル等の所望する２次冷媒の温度で十分に熱搬送がおこなえるものであればよい）をスターリング冷凍機ユニット４と冷熱利用機器３との間で循環させて、スターリング冷凍機ユニット４で発生した冷熱を冷熱利用機器３に供給する熱搬送装置６、冷熱利用機器３から要求される冷熱量が供給できるように、スターリング冷熱供給システム１全体を制御する制御装置７、プルダウン時間の短縮を図るために２次冷媒を冷却する冷媒チラーユニット８等を主要構成としている。
【００２６】
図１３に示すように、複数のスターリング冷凍機ユニット４を用いて冷熱供給能力を高め、これによりプルダウン時間の短縮を図ることは可能であるが、この場合には高価なスターリング冷凍機ユニット４を複数設けなければならないために、コストアップの要因となる。
【００２７】
また、例えば半導体施設で利用される低温プローバのような冷熱利用機器３の場合には、使用時における冷熱量は余り多量に必要としないので、かかる冷熱利用機器３に対しては複数台のスターリング冷凍機ユニット４を用いてプルダウン時間の短縮を図ると、余剰能力が発生してしまい経済性が低下してしまうようになる。
【００２８】
そこで、本発明では、後述するように、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器等を有する冷媒チラーユニット８を設けて、プルダウン時間の短縮を図っている。
【００２９】
スターリング冷凍機ユニット４は、図２に示すように、モータ１１の回転動力を往復動力に変換するクランク部１２、圧縮ピストン１４が圧縮シリンダ１５内を往復運動することによりこれらの間で形成される圧縮空間１６内の作動ガスを圧縮する圧縮部１７、膨張ピストン１８が膨張シリンダ１９内を往復運動することによりこれらの間で形成される膨張空間２０内の作動ガスを膨張させる膨張部２１、圧縮空間１６と膨張空間２０とを連通させるガス流路Ｓに設けられた金属メッシュシート等からなる蓄熱部２２等を有している。
【００３０】
スターリング冷凍機ユニット４における、クランク部１２は内部がクランク室２３をなすクランクハウジング２４に収納され、モータ軸２５と連結されたクランク２６、一端がクランク２６に連結されたコネクティングロッド２７、該コネクティングロッド２７の他端に連結されたクロスガイドヘッド２８、該クロスガイドヘッド２８の運動方向を１方向に規制するクロスガイドライナ２９等により形成されている。
【００３１】
これにより、モータ１１の回転動力がクランク部１２で往復動力に変換されて、圧縮ピストン１４、膨張ピストン１８が往復運動する。
【００３２】
なお、膨張ピストン１８は圧縮ピストン１４に対して位相が略９０度進んで運動する。
【００３３】
また、圧縮ピストン１４や膨張ピストン１８は、ピストンロッド３０を介してクロスガイドヘッド２８と連結され、このピストンロッド３０に一端が密着して固着されると共に、他端が固定プレート３６に密着して固着されたオイルシールベローズ３７が設けられている。
【００３４】
このオイルシールベローズ３７は、ピストンロッド３０の往復運動に伴い伸縮する金属製のベローズで、圧縮ピストン１４や膨張ピストン１８側の空間とクロスガイドヘッド２８側の空間とを気密に区画している。
【００３５】
これにより、クロスガイドヘッド２８等を潤滑するオイル３８が圧縮ピストン１４や膨張ピストン１８に付着し、これが圧縮空間１６や膨張空間２０に侵入することによる冷凍効率の低下を防止している。
【００３６】
また、このオイルシールベローズ３７により、当該オイルシールベローズ３７と圧縮ピストン１４や膨張ピストン１８とで挟まれる空間（以下、背圧室という）３９は、気密状態になる。
【００３７】
このため圧縮ピストン１４や膨張ピストン１８が往復運動すると、背圧室３９の雰囲気が圧縮膨張するようになり、この圧縮膨張に要するエネルギーがモータ負荷となって、冷熱発生効率を低下させてしまう。
【００３８】
そこで、背圧室３９とクランク室２３とをベローズ４０を介して連結させたバッファタンク４１が設けられている。
【００３９】
また、圧縮空間１６を覆うように、または圧縮空間１６と蓄熱部２２とを連通するガス流路Ｓを取巻くように作動ガス側熱交換器３５が設けられて、冷却水が循環するようになっている。
【００４０】
このような構成のスターリング冷凍機ユニット４において、圧縮ピストン１４が下死点から上死点に移動すると、圧縮空間１６内の作動ガスが圧縮される。この間、膨張ピストン１８は上動して上死点に達した後、下動するようになる。
【００４１】
圧縮ピストン１４の上動に伴い圧縮された作動ガスは、ガス流路Ｓを流動して膨張部２１側に送られ、膨張ピストン１８が下動すると作動ガスは蓄熱部２２を通過して膨張空間２０に送られる。
【００４２】
作動ガスが蓄熱部２２を通過する際には、その熱がこの蓄熱部２２に蓄熱される。
【００４３】
膨張ピストン１８が下死点に達するに従い、圧縮ピストン１４は上死点から下死点に移動し、作動ガスは膨張する。
【００４４】
このときの膨張過程は等温膨張過程であるため、膨張に伴う吸熱が膨張空間２０の頂部に設けられたコールドヘッド４５を介して行われ、この結果コールドヘッド４５の温度が下がり冷熱が発生する。このコールドヘッド４５には、後述するように２次冷媒が熱接触して循環しているので、発生した冷熱により２次冷媒が冷却されることになる。
【００４５】
圧縮ピストン１４が下死点に近づくに従い、膨張ピストン１８は上動を始め、作動ガスはガス流路Ｓを経て蓄熱部２２で熱交換して圧縮空間１６に戻る。
【００４６】
このようなサイクルを１サイクルとして運転されて、コールドヘッド４５の冷熱は冷熱利用機器３に利用される。
【００４７】
熱搬送装置６は、冷熱と２次冷媒とを熱交換させる冷熱源側熱交換器を備え、この冷熱源側熱交換器は上述したコールドヘッド４５により形成されている。以下、コールドヘッド４５を冷熱源側熱交換器４５と記載する。
【００４８】
また、熱搬送装置６は、２次冷媒を冷熱利用機器３に循環させる２次冷媒ポンプ４６を主要構成としている。
【００４９】
スターリング冷凍機ユニット４で作動ガスを圧縮すると、作動ガスは温度上昇し、この温度上昇した状態で蓄熱部２２を介して膨張部２１に送ると冷熱発生効率が低下する。このため作動ガスの熱を大気に放熱して膨張部２１に移送すべく冷却水装置５が設けられている。
【００５０】
この冷却水装置５は、スターリング冷凍機ユニット４における圧縮空間１６と蓄熱部２２との間のガス流路Ｓを取巻くようにして冷却水路が形成されて作動ガスと冷却水とを熱交換させる作動ガス側熱交換器３５、該作動ガス側熱交換器３５で熱交換した冷却水を大気と熱交換させる大気側熱交換器であるラジエタ６５、このラジエタ６５に大気を送風して冷却水と大気との熱交換効率を向上させる送風機６６、冷却水を作動ガス側熱交換器３５とラジエタ６５との間を循環させる冷却水ポンプ６７等により構成されている。
【００５１】
冷媒チラーユニット８は、Ｒ４０４Ａ等の低温用冷媒を圧縮する圧縮機７１、該圧縮機７１からの冷媒を外気と熱交換させて凝縮させる凝縮器７２、該凝縮器７２からの冷媒を減圧する減圧装置７４、該減圧装置７４で減圧された冷媒と２次冷媒とを熱交換させて、当該２次冷媒を冷却する蒸発器７５、循環する冷媒量を調整するレシーバタンク７３等を主要構成としている。
【００５２】
なお、蒸発器７５は、２重管構造の熱交換器やプレート式の２回路熱交換器で、冷媒と２次冷媒とが循環して、冷媒は２次冷媒から熱を吸収して蒸発し、これにより２次冷媒が冷却されるようになっている。
【００５３】
制御装置７は、２次冷媒の検出する温度検出器７６、検出した温度を格納するレジスタ７７、予め設定された温度になるとスターリング冷凍機ユニット４や冷媒チラーユニット８を運転、停止させるための設定値が格納されたメモリ７８、該メモリ７８から設定値を読込み、レジスタ７７の内容と比較してスターリング冷凍機ユニット４や冷媒チラーユニット８を運転、停止させる制御部７９等を有している。
【００５４】
そして、２次冷媒の温度検出は所定時間毎に行われ、複数の測定結果がレジスタ７７に格納されるようになっている。
【００５５】
次に、このような構成のスターリング冷熱供給システム１の動作及びその制御方法を説明する。
【００５６】
図３は、スターリング冷凍機ユニット４におけるプルダウンにかかる特性（実線）（以下、プルダウン特性と記載する）及び冷媒チラーユニット８におけるプルダウン特性（一点鎖線）を模式的に示した図である。同図から分るように、起動時にはスターリング冷凍機ユニット４は冷媒チラーユニット８よりゆっくりと温度降下して、−８０℃以下の温度まで下げることが可能である。
【００５７】
一方、冷媒としてＲ４０４Ａを用いた冷媒チラーユニット８では、起動時にはスターリング冷凍機ユニット４より速く温度降下するが、−４０℃より低い温度まで下げることが困難である。
【００５８】
そこで、本発明では、図４に示すように、起動時には冷媒チラーユニット８を運転させ（一点鎖線の領域）、当該冷媒チラーユニット８の温度降下速度が鈍る温度域（例えば−４０℃）に達すると、スターリング冷凍機ユニット４の運転に切替えることにより、極低温までの冷熱供給能力を保持しながらプルダウン時間の短縮を図るようにしている。
【００５９】
このような運転制御を図５に示すフローチャートに従い説明する。なお、制御の大きな流は、２次冷媒の温度をＴとしたとき、（１）Ｔ≧−３５℃の場合、（２）−３５℃＞Ｔ≧−４０℃の場合、（３）−４０℃＞Ｔ≧−７６℃の場合、（４）−７６℃＞Ｔ≧−８０℃の場合、（５）Ｔ＜−８０℃の場合の処理に分けられる。
【００６０】
なお、以下の説明では、−３５℃、−４０℃、−７６℃、−８０℃等の温度に基づき制御する場合を説明するが、かかる温度は下記に説明するように例示であることを敢て付言する。
【００６１】
即ち、−４０℃は、冷媒チラーユニット８による２次冷媒の到達温度の例示であり、−８０℃は冷熱利用機器３で要求される温度の例示である。冷媒チラーユニット８における冷媒の種類やチラ−８の規模等を含めた構成により、当該冷媒チラーユニット８の到達温度が異なることもあり、また冷熱利用機器３で要求される温度も−８０℃以外の時もある。
【００６２】
また、−３５℃は、冷媒チラーユニット８が到達温度に近づくと、そのプルダウン特性も鈍るので（温度下降率が小さくなる）、プルダウン特性の鈍りが顕著になり始める温度を例示したもので、到達温度の場合と同様に冷媒チラーユニット８における冷媒や構成により異なる。
【００６３】
さらに−７６℃は、スターリング冷凍機ユニット４は運転、停止を繰返すことにより一定温度範囲の冷熱を供給するため、この温度範囲の冷熱が供給できるようにスターリング冷凍機ユニット４の運転、停止条件としての温度で、当然のことながら冷熱利用機器３で要求される温度により決められる設定パラメータである。
【００６４】
そして、システムが起動、即ち運転開始すると、先ず２次冷媒の温度が、（１）のＴ≧−３５℃の温度範囲であるか否かの判断が行われ、当該温度温度範囲の時には冷媒チラーユニット８のみが運転される（ステップＳＡ１→ＳＡ２の処理）。
【００６５】
これにより２次冷媒は、蒸発器７５で冷媒と熱交換して冷却されて温度が下がる。図３及び図４に示したように冷媒チラーユニット８の運転による２次冷媒の温度降下は、スターリング冷凍機ユニット４による２次冷媒の温度降下より速いため、プルダウン時間の短縮を図ることが可能になる。
【００６６】
次に、２次冷媒の温度が、（２）の−３５℃＞Ｔ≧−４０℃の温度範囲となっているか否かを判断し、この温度範囲の場合にはスターリング冷凍機ユニット４も運転されて、冷媒チラーユニット８との同時運転を行う（ステップＳＡ１→ＳＡ３→ＳＡ４の処理）。
【００６７】
先にも説明したように、冷媒チラーユニット８が到達温度に近づくに従い温度下降率が小さくなるため、−４０℃の到達温度になるまで待っていたのでは、却ってプルダウン時間が長くなってしまう恐れがある。
【００６８】
そこで、プルダウン特性の鈍りが顕著になり始めると、スターリング冷凍機ユニット４との同時運転を行い、これによりプルダウン時間をより短縮できるようにしている。
【００６９】
このようにして、２次冷媒が−４０℃以下になり、（３）の−４０℃＞Ｔ≧−７６℃の温度範囲に入ると、冷媒チラーユニット８の運転を停止して、スターリング冷凍機ユニット４のみの運転に切替える（ステップＳＡ１→ＳＡ３→ＳＡ５→ＳＡ６の処理）。
【００７０】
冷媒チラーユニット８の到達温度が−４０℃であることから、これ以上冷媒チラーユニット８を運転させても、２次冷媒を冷却することができず、却って２次冷媒により冷媒チラーユニット８の冷媒が冷却される事態が生じる。そこで、冷媒チラーユニット８の運転を停止し、スターリング冷凍機ユニット４の運転のみとする。
【００７１】
スターリング冷凍機ユニット４が運転を開始して、２次冷媒の温度が（４）の−７６℃＞Ｔ≧−８０℃に入ると、２次冷媒が温度降下が続いているか否かを判断する。
【００７２】
この結果、２次冷媒の温度降下が続いている場合には、スターリング冷凍機ユニット４のみが運転されている現状状態を維持する（ステップＳＡ１→ＳＡ３→ＳＡ５→ＳＡ８→ＳＡ９→ＳＡ６の処理）。
【００７３】
一方、２次冷媒の温度降下が止っている場合には、２次冷媒は所望の温度に達したと判断してスターリング冷凍機ユニット４の運転も停止する（ステップＳＡ１→ＳＡ３→ＳＡ５→ＳＡ８→ＳＡ９→ＳＡ１０の処理）。
【００７４】
なお、温度降下が継続しているか否かの判断は、レジスタ７７に格納されている複数の２次冷媒の温度から求めた温度変化から判断する。
【００７５】
最後に、２次冷媒の温度が、（５）のＴ＜−８０℃になった場合は、２次冷媒は所望の温度に達したのでスターリング冷凍機ユニット４の運転も停止する（ステップＳＡ１→ＳＡ３→ＳＡ５→ＳＡ８→ＳＡ１０の処理）。
【００７６】
このように、スターリング冷熱供給システム１の運転を開始してプルダウンを行うときには、冷媒チラーユニット８のみを運転させて、プルダウン時間を短縮を図るようにしたので、速やかに冷熱利用機器３の利用が可能になって利便性が向上する。
【００７７】
次に、本発明の第２の実施の形態を図を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と同一構成に関しては説明を適宜省略する。
【００７８】
第１の実施の形態においてはプルダウンの時間短縮を図るために、スターリング冷熱供給システム１の運転を開始した際には冷媒チラーユニット８のみを運転させ、当該冷媒チラーユニット８の到達温度になるとスターリング冷凍機ユニット４のみの運転に切替える制御を行った。
【００７９】
これに対し、本実施の形態では、図６に示すように、起動時には冷媒チラーユニット８とスターリング冷凍機ユニット４とを同時運転させることにより、よりプルダウン時間の短縮を図るようにしたものである。
【００８０】
なお、図６において２点鎖線は、冷媒チラーユニット８とスターリング冷凍機ユニット４との同時運転を行った時を示し、実線はスターリング冷凍機ユニット４のみを運転させたときのプルダウン特性を示している。そして、第１の実施の形態にかかる構成におけるプルダウン特性と相違を示すために、当該第１の実施の形態におけるプルダウン特性を点線で示している。
【００８１】
図７は、このような場合の運転制御手順を示すフローチャートで、大きな制御の流として、（１）Ｔ≧−４０℃の場合、（２）Ｔ＜−４０℃の場合、（３）−４０℃＞Ｔ＞−７６℃の場合、（４）Ｔ≦−８０℃の場合の処理に分けられる。
【００８２】
先ず、スターリング冷熱供給システム１が起動されると、２次冷媒の温度が（１）のＴ≧−４０℃の温度範囲であるか否かを判断する。起動直後の２次冷媒の温度は、室温であることが多く、このような場合にはスターリング冷凍機ユニット４及び冷媒チラーユニット８が運転される（ステップＳＢ１→ＳＢ２→ＳＢ３の処理）。
【００８３】
本制御の場合、第１の実施の形態におけるように−３５℃における判断処理は設けられていない。これは、上記説明からも明らかなように、起動直後からスターリング冷凍機ユニット４と冷媒チラーユニット８との同時運転が行われているため、冷媒チラーユニット８のプルダウン特性の鈍化を問題にする必要がないからである。
【００８４】
スターリング冷凍機ユニット４及び冷媒チラーユニット８が同時運転されて、２次冷媒の温度が下がり、（２）のＴ＜−４０℃の温度範囲になると、これ以上冷媒チラーユニット８の運転を継続しても意味が無く、却って冷媒チラーユニット８が熱負荷となるため、当該冷媒チラーユニット８の運転を停止する（ステップＳＢ１→ＳＢ２→ＳＢ４の処理）。
【００８５】
これ以降、２次冷媒の温度が、（３）の−４０℃＞Ｔ＞−７６℃の温度範囲の場合にはスターリング冷凍機ユニット４のみの運転となり、２次冷媒の温度変化を判断する。
【００８６】
この結果、２次冷媒の温度降下が続いている場合には、スターリング冷凍機ユニット４のみが運転されている現状状態を維持する（ステップＳＢ１→ＳＢ５→ＳＢ６→ＳＢ４の処理）。
【００８７】
一方、２次冷媒の温度降下が止っている場合には、２次冷媒は所望の温度に達したと判断してスターリング冷凍機ユニット４の運転も停止する（ステップＳＢ１→ＳＢ５→ＳＢ６→ＳＢ７の処理）。
【００８８】
最後に、２次冷媒の温度が、（４）のＴ＜−８０℃になった場合は、２次冷媒は所望の温度に達したのでスターリング冷凍機ユニット４の運転も停止する（ステップＳＢ１→ＳＢ５→ＳＢ７）。
【００８９】
このように、起動直後は、スターリング冷凍機ユニット４と冷媒チラーユニット８とを同時運転させるので、プルダウン時間の大幅な短縮が図れるようになり、速やかに冷熱利用機器３の利用が可能になって利便性が向上する。
【００９０】
次に、本発明の第３の実施の形態を図を参照して説明する。なお、これまで説明した構成と同一構成に関しては説明を適宜省略する。
【００９１】
第１及び第２の実施の形態においては、スターリング冷熱供給システム１を起動した時のように、２次冷媒の温度が−４０℃以上の時のみ冷媒チラーユニット８を運転することで、プルダウン時間の短縮を図った。
【００９２】
このような構成の場合、利用時（冷熱利用機器３が要求する温度に達し、当該冷熱利用機器３の利用を開始した時）には、冷媒チラーユニット８は全く利用されなかった。
【００９３】
これは、冷熱利用機器３が要求する温度が−８０℃と極低温であり、冷媒チラーユニット８の到達温度が−４０℃であるため、当該冷媒チラーユニット８を用いて２次冷媒の冷却を行うことができないことが原因であった。
【００９４】
そこで、本実施の形態では、２次冷媒の温度が−４０℃以上の場合には、冷媒チラーユニット８により当該２次冷媒を冷却し、２次冷媒の温度が−４０℃以下になった場合には冷媒チラーユニット８によりスターリング冷凍機ユニット４の冷却水を冷却するようにしている。
【００９５】
先に説明したように、スターリング冷凍機ユニット４では、冷熱発生効率を高めるために冷却水装置５における作動ガス側熱交換器３５で、圧縮部で圧縮されて高温になった作動ガスと冷却水とを熱交換させている。
【００９６】
このとき熱交換により作動ガスの熱は冷却水に吸熱され、当該冷却水がラジエタ６５に循環して大気に放熱する構成であった。
【００９７】
従って、大気より温度の低い冷媒チラーユニット８の蒸発器７５での冷媒と冷却水とを熱交換器させることにより、当該冷却水はより低温になり、この結果作動ガスの温度も下げることが可能になる。
【００９８】
作動ガスの温度が下がることにより、スターリング冷凍機ユニット４におけるサイクル効率が高くなって、冷熱発生効率が向上し、２次冷媒の温度降下を速くすることができると共に、当該スターリング冷凍の到達温度も改善されるようになる。
【００９９】
このような効果により、図１３に示すように、複数のスターリング冷凍機ユニット４を用いる場合に相当する冷熱が発生できるようになると共に、冷媒チラーユニット８を常時運転できるため、プルダウン時のみ運転する場合に比べ経済性が向上する。
【０１００】
図８は、このような作用をなすスターリング冷熱供給システム１の構成を示す回路図で、図１に示す構成に対して、冷媒チラーユニット８及び冷却水装置５の構成が異なっている。
【０１０１】
即ち、冷媒チラーユニット８には、第２の蒸発器８０、第２の減圧装置８１が追設されて、３方弁（切換弁）８２により冷媒の循環路が切替えられるようになっており、この第２の蒸発器８０は、冷却水装置５のラジエタ６５に代る物である。
【０１０２】
このような構成で、冷媒チラーユニット８によりを２次冷媒を冷却する場合は、３方弁８２を切替えて冷媒が実線矢印に示す流路を循環するようにする。
【０１０３】
これにより、圧縮機７１からの冷媒は凝縮器７２で外気と熱交換して凝縮し、この冷媒がレシーバタンク７３を介して適量が減圧装置７４に供給される。その後、冷媒はこの減圧装置７４で減圧されて蒸発器７５で２次冷媒と熱交換する。
【０１０４】
この熱交換により２次冷媒は冷却され、冷媒は蒸発して蒸発器７５を通り圧縮機７１に戻る。
【０１０５】
一方、冷媒チラーユニット８により冷却水を冷却する場合は、３方弁８２を切替えて冷媒が点線矢印に示す流路を循環するようにする。このとき、冷却水ポンプ６７を動作させる。
【０１０６】
これにより、圧縮機７１からの冷媒は凝縮器７２で外気と熱交換して凝縮し、この冷媒がレシーバタンク７３を介して適量が第２の減圧装置８１に供給されて減圧される。その後、冷媒は第２の蒸発器８０に供給されて、ここで冷却水と熱交換して蒸発して圧縮機７１に戻る。冷却水は冷却される。
【０１０７】
図９は、このような構成におけるプルダウン特性を示した図で、一点鎖線は冷媒チラーユニット８で２次冷媒を冷却した際のプルダウン特性であり、実線は冷媒チラーユニット８で冷却水を冷却した際のプルダウン特性を示している。尚、図中の点線は、第１の実施の形態における場合のプルダウン特性を比較のために示している。
【０１０８】
この図からも明らかなように、冷媒チラーユニット８で冷却水を冷却すると、スターリング冷凍機ユニット４の冷熱発生能力が向上するので、プルダウン特性も改善されることが理解できる。なお、スターリング冷凍機ユニット４の冷熱発生能力が向上は、プルダウン特性の傾きの変化として現れている。
【０１０９】
図１０は、このような構成のスターリング冷熱供給システム１の運転方法を示すフローチャートで、２次冷媒の温度Ｔが、（１）Ｔ≧−３５℃の場合、（２）−３５℃＞Ｔ≧−４０℃の場合、（３）Ｔ＜−４０℃の場合、（４）−７６℃＞Ｔ≧−８０℃の場合、（５）Ｔ＜−８０℃の場合の処理に分けられる。
【０１１０】
なお、図１０においてチラー（２次冷媒）は、冷媒チラーユニット８が２次冷媒を冷却するように動作していることを意味し、チラー（冷却水）は冷媒チラーユニット８が冷却水を冷却するように動作していることを意味している。
【０１１１】
先ず、スターリング冷熱供給システム１を起動させると、２次冷媒の温度が、（１）のＴ≧−３５℃の範囲であるか否かの判断が行われ、この温度範囲の場合には、スターリング冷凍機ユニット４は運転せずに冷媒チラーユニット８のみを運転し、そのとき２次冷媒を冷却するように３方弁８２を切替える（ステップＳＣ１→ＳＣ２→ＳＣ３の処理）。
【０１１２】
なお、この場合にはスターリング冷凍機ユニット４の同時運転も考えられるが、本発明ではスターリング冷凍機ユニット４を停止させるようにしている。これは、冷媒チラーユニット８が２次冷媒の冷却に用いられているため冷却水の冷却が行われず、かかる状態ではスターリング冷凍機ユニット４は所定の冷熱発生能力を発揮できないためである。
【０１１３】
無論、蒸発器７５で２次冷媒と熱交換した冷媒の温度は、冷却水の温度より低くなっている場合もあ利、この場合には少ないながらも冷却水を冷却できるので、スターリング冷凍機ユニット４は所定の冷熱発生能力を発揮できないながらも少しは冷熱を発生できる。
【０１１４】
このことから、スターリング冷凍機ユニット４と冷媒チラーユニット８との同時運転を行うことも可能である。
【０１１５】
２次冷媒の冷却が進み、（２）の−３５℃＞Ｔ≧−４０℃の温度範囲に入ると、２次冷媒の温度変化を判断する。
【０１１６】
この結果、２次冷媒の温度が降下中の場合には、まだ冷媒チラーユニット８の到達温度まで２次冷媒がプルダウンしていないと判断して現在の状態を維持する（ステップＳＣ１→ＳＣ２→ＳＣ４→ＳＣ５→ＳＣ６の処理）。
【０１１７】
一方、２次冷媒の温度降下が停止している場合には、２次冷媒は冷媒チラーユニット８の到達温度まで達したと判断して、３方弁８２の切換を行う（ステップＳＣ→ＳＣ２→ＳＣ４→ＳＣ５→ＳＣ７の処理）。
【０１１８】
この３方弁８２の切換により、冷媒は図８に示す点線矢印の循環路を流動するようになって、冷却水を冷却するようになり、スターリング冷凍機ユニット４の冷熱発生能力が高められてプルダウン時間の短縮が可能になる。
【０１１９】
無論、プルダウンが完了して、使用状態に達すると、冷熱発生能力が高まった分だけ、熱利用機器での負荷変動に対して余裕が生れるため、システムとしての性能アップが可能になる。
【０１２０】
そして、２次冷媒の温度は、（３）のＴ＜−４０℃の温度範囲に入る。この状態は、通常（２）の状態を経るため既に３方弁８２による流路切換が行われているので現状維持であるが、行われていない場合には（２）で述べた処理が行われる（ステップＳＣ１→ＳＣ１→ＳＣ２→ＳＣ４→ＳＣ７の処理）。
【０１２１】
次に、２次冷媒の温度が、（４）の−７６℃＞Ｔ≧−８０℃の温度範囲に入ると、２次冷媒が温度降下が続いているか否かを判断する。
【０１２２】
この結果、２次冷媒が温度降下中の場合には、現状状態が維持される（ステップＳＣ１→ＳＣ８→ＳＣ１０→ＳＣ７の処理）。
【０１２３】
一方、２次冷媒の温度が降下を停止している場合には、２次冷媒は所望の温度に達したと判断してスターリング冷凍機ユニット４の運転を停止する。このとき冷却水の冷却も不要になるので冷媒チラーユニット８も運転を停止する（ステップＳＣ１→ＳＣ８→ＳＣ１０→ＳＣ９の処理）。
【０１２４】
最後に、２次冷媒の温度が、（５）のＴ＜−８０℃になった場合は、２次冷媒は所望の温度に達したのでスターリング冷凍機ユニット４及び冷媒チラーユニット８の運転を停止する（ステップＳＣ１→ＳＣ８→ＳＣ９の処理）。
【０１２５】
このように、２次冷媒の温度に応じて冷媒チラーユニット８を２次冷媒と冷却水との冷却に利用するようにしたので、プルダウン時間の短縮が図れると共に、スターリング冷凍機ユニット４の冷熱発生能力の向上が図れて、スターリング冷熱供給システム１の性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】第１、第２の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムの回路図である。
【図２】各実施の形態の説明に適用されるスターリング冷凍機ユニットの構成図である。
【図３】冷媒チラーユニットとスターリング冷凍機ユニットとのプルダウン特性の模式図である。
【図４】第１の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムにおけるプルダウン特性の模式図である。
【図５】第１の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムにおける運転手順を示すフローチャートである。
【図６】第２の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムにおけるプルダウン特性の模式図である。
【図７】第２の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムにおける運転手順を示すフローチャートである。
【図８】第３の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムの回路図である。
【図９】第３の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムにおけるプルダウン特性の模式図である。
【図１０】第３の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムにおける運転手順を示すフローチャートである。
【図１１】従来の技術の説明に適用されるスターリング冷熱供給システムの回路図である。
【図１２】従来の技術の説明に適用されるスターリング冷熱供給システムの回路図である。
【図１３】従来の技術の説明に適用されるスターリング冷凍機ユニットの構成図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１  スターリング冷熱供給システム
３  冷熱利用機器
４  スターリング冷凍機ユニット
５  冷却水装置
６  熱搬送装置
７  制御装置
８  冷媒チラーユニット
３５  作動ガス側熱交換器
４５  コールドヘッド
７１  圧縮機
７２  凝縮器
７４  減圧装置
７５  蒸発器
７６  温度検出器
７７  レジスタ
７８  メモリ
７９  制御部
８０  第２の蒸発器
８１  第２の減圧装置
【図１】
2006145210.tif 000003
【図２】
2006145210.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006145210.tif 000006
【図５】
2006145210.tif 000007
【図６】
2006145210.tif 000008
【図７】
2006145210.tif 000009
【図８】
2006145210.tif 000010
【図９】
2006145210.tif 000011
【図１０】
2006145210.tif 000012
【図１１】
2006145210.tif 000013
【図１２】
2006145210.tif 000014
【図１３】
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