(57)【要約】【課題】  スターリング冷凍機を短時間で定常状態にすることが可能な冷却庫を提供する。【解決手段】  この冷却庫の制御部６８は、駆動開始時には、冷却ファン装置２２〜２４および放熱ファン装置３２を停止させるとともにダンパ２５を閉じてスターリング冷凍機１１の熱負荷を低減し、ウォームヘッド５３とコールドヘッド５１の温度差Ｔ１−Ｔ２が増大するに従ってリニアモータ４７への印加電圧の上昇速度を高くする。したがって、ウォームヘッド５３とコールドヘッド５１の温度差Ｔ１−Ｔ２を短時間で大きくすることができ、スターリング冷凍機１１を短時間で定常状態にすることができる。【選択図】        図４
2006090588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリング冷凍機を備えた冷却庫であって、
前記スターリング冷凍機のウォームヘッドとコールドヘッドの温度差を検出する温度差検出手段、
前記スターリング冷凍機のピストンを駆動する駆動手段、および
前記スターリング冷凍機の駆動開始時に、前記スターリング冷凍機の熱負荷を低減するとともに、前記温度差検出手段の検出値が大きくなるに従って前記駆動手段への印加電圧の上昇速度を速くする制御手段を備える、冷却庫。
【請求項２】
前記コールドヘッドから冷媒を介して冷熱を受け、冷気を生成する蒸発器、
前記蒸発器で生成された冷気を庫内に供給する冷却ファン装置、および
前記冷気の流路に設けられたダンパを備え、
前記制御手段は、前記冷却ファン装置を停止させるとともに前記ダンパを閉じることにより、前記スターリング冷凍機の熱負荷を低減する、請求項１に記載の冷却庫。
【請求項３】
前記ウォームヘッドの熱を庫外に放散する放熱器、および
前記放熱器の放熱を促進する放熱ファン装置を備え、
前記制御手段は、前記放熱ファン装置を停止させることにより、前記スターリング冷凍機の熱負荷を低減する、請求項１または請求項２に記載の冷却庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は冷却庫に関し、特に、スターリング冷凍機を備えた冷却庫に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスベアリング効果を利用しながらシリンダ内を往復するパワーピストンと、該パワーピストンを駆動する駆動手段とを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機では、ウォームヘッドとコールドヘッドの温度差が小さいと、作動ガス圧が定常状態になっていないため、パワーピストンとディスプレーサとが相互干渉して衝突する恐れがある。
【０００３】
この問題を解決する方法として、ウォームヘッドとコールドヘッドの温度差を検出し、温度差の検出値が大きくなるに従って上記駆動手段への印加電圧の上昇速度を上昇させる方法がある（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１９５６７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の方法では、スターリング冷凍機の駆動手段への印加電圧の立ち上がり速度が冷却庫の熱負荷によって変化するため、スターリング冷凍機を短時間で定常状態にすることができなかった。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、スターリング冷凍機を短時間で定常状態にすることが可能な冷却庫を提供することである。
【課題を解決するための手段および効果】
【０００６】
この発明に係る冷却庫は、スターリング冷凍機を備えた冷却庫であって、スターリング冷凍機のウォームヘッドとコールドヘッドの温度差を検出する温度差検出手段と、スターリング冷凍機のピストンを駆動する駆動手段と、スターリング冷凍機の駆動開始時に、スターリング冷凍機の熱負荷を低減するとともに、温度差検出手段の検出値が大きくなるに従って駆動手段への印加電圧の上昇速度を速くする制御手段とを備えたものである。したがって、スターリング冷凍機の駆動開始時にスターリング冷凍機の熱負荷を低減するので、ウォームヘッドとコールドヘッドの温度差を短時間で大きくすることができ、スターリング冷凍機を短時間で定常状態にすることができる。
【０００７】
好ましくは、コールドヘッドから冷媒を介して冷熱を受け、冷気を生成する蒸発器と、蒸発器で生成された冷気を庫内に供給する冷却ファン装置と、冷気の流路に設けられたダンパとを備え、制御手段は、冷却ファン装置を停止させるとともにダンパを閉じることにより、スターリング冷凍機の熱負荷を低減する。この場合は、庫内の冷気の循環を停止させて、コールドヘッドの温度を低下させることができる。
【０００８】
また好ましくは、ウォームヘッドの熱を庫外に放散する放熱器と、放熱器の放熱を促進する放熱ファン装置とを備え、制御手段は、放熱ファン装置を停止させることにより、スターリング冷凍機の熱負荷を低減する。この場合は、ウォームヘッドの熱が放熱器を介して放散されるのを抑制し、ウォームヘッドの温度を上昇させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１はこの発明の一実施の形態による冷却庫の構成を示す概略断面図であり、図２は冷却庫の配管構成図である。図１および図２において、この冷却庫は、食品保存用であり、断熱構造のハウジング１を備える。ハウジング１の内部は上下３段に仕切られており、上側から冷蔵室２、急速冷凍室３および冷凍室４が構成されている。冷蔵室２、急速冷凍室３および冷凍室４の正面側（図１では左側）の開口部には、それぞれ断熱性の冷蔵室ドア５、急速冷凍室ドア６および冷凍室ドア７が開閉自在に設けられている。ドア５〜７の各々の裏面には、対応の室の開口部をそれぞれ囲む形のドアパッキン８が装着されている。ハウジング１の内部には、収納する食品の種類に適合した棚９が適宜配置されている。
【００１０】
ハウジング１の上背面の一角には機械室１０が設けられており、機械室１０にはスターリング冷凍機１１が設置されている。ハウジング１の上面から背面、さらには下面にかけては、スターリング冷凍機１１を中心要素とする冷却システムが配設されている。
【００１１】
スターリング冷凍機１１には駆動により発生する冷熱を取出すコールドヘッド（図示せず）があり、そのコールドヘッドを覆うようにして低温側凝縮器１２が取付けられている。また、冷凍室４の奥には、低温側蒸発器１５が設置されている。低温側凝縮器１２と低温側蒸発器１５は低温側２次冷媒循環パイプ１４を介して接続されており、両者によって２次冷媒循環回路が構成されている。２次冷媒循環回路には、ＣＯ２などの自然冷媒が封入されており、低温側蒸発器１５および低温側凝縮器１２間で冷熱の授受が行なわれる。
【００１２】
ハウジング１の内部には、低温側蒸発器１５によって得られた冷気を冷蔵室２、急速冷凍室３および冷凍室４へ分配するためのダクト２０が設けられている。ダクト２０には、冷蔵室２、急速冷凍室３または冷凍室４に連通する冷気噴出口２１が適所に設けられている。また、ダクト２０内には、それぞれ冷蔵室２、急速冷凍室３および冷凍室４に冷気を強制的に送り出すための冷却ファン装置２２〜２４が設けられている。冷却ファン装置２４および低温側蒸発器１５は、低温側蒸発器室１６内に設けられている。
【００１３】
また、ダクト２０内には、ダンパ２５が設けられている。ダンパ２５は、ダクト２０内において冷却ファン装置２２と２３の間に配置され、開閉制御される。ダンパ２５の開閉制御により、低温側蒸発器１５からダクト２０を介して冷蔵室２へ供給される冷気の量が調整される。
【００１４】
なお、本図には示していないが、ハウジング１内部には、冷蔵室２、急速冷凍室３および冷凍室４から空気を回収するダクトも設けられている。このダクトは低温側蒸発器１５の下方に吹出口を有し、冷却されるべき空気を低温側蒸発器１５に供給する。
【００１５】
スターリング冷凍機１１には駆動により発生する温熱を取出すウォームヘッド（図示せず）があり、そのウォームヘッドを覆うようにして高温側蒸発器１３が取付けられている。また、ハウジング１の上面には、庫外環境に放熱を行なう高温側凝縮器（放熱器）３１と放熱ファン装置３２が設けられている。高温側蒸発器１３と高温側凝縮器３１は高温側２次冷媒循環パイプ３０を介して接続されており、両者によって高温側自然循環回路が構成されている。高温側自然循環回路には、水（水溶液を含む）あるいは炭化水素系の自然冷媒が密封されており、冷媒は高温側自然循環回路内を自然循環する。
【００１６】
次に、この冷却庫の動作について説明する。スターリング冷凍機１１が駆動されると、コールドヘッドの温度が低下する。したがって、低温側凝縮器１２は冷却され、その内部の冷媒が凝縮される。
【００１７】
低温側凝縮器１２で凝縮された２次冷媒は、低温側２次冷媒循環パイプ１４を通って低温側蒸発器１５に流れ込む。低温側蒸発器１５に流れ込んだ２次冷媒は、低温側蒸発器１５の外側を通過する気流の熱で蒸発し、低温側蒸発器１５の表面温度を下げる。したがって、低温側蒸発器１５を通り抜ける空気は冷気となり、ダクト２０の冷気吹出口２１から冷凍室４などに吹出し、冷凍室４などの温度を下げる。低温側蒸発器１５で蒸発した２次冷媒は、低温側２次冷媒循環パイプ１４を通って低温側凝縮器１２に戻り、そこで熱を奪われて再び凝縮する。
【００１８】
一方、スターリング冷凍機１１の駆動によって発生する温熱は、ウォームヘッドを介して高温側蒸発器１３に放熱される。高温側蒸発器１３内部は２次冷媒が蒸発することによる気化熱で温熱が奪われる。
【００１９】
高温側蒸発器１３で蒸発した気相状態の２次冷媒は、高温側２次冷媒循環パイプ３０を通って、上方に設けられた高温側凝縮器３１に流れ込む。高温側凝縮器３１に流れ込んだ２次冷媒は、放熱ファン装置３２によって庫外から高温側凝縮器３１内に導入された気流により熱を奪われて凝縮する。高温側凝縮器３１で凝縮した２次冷媒は高温側２次冷媒循環パイプ３０を通って高温側蒸発器１３に戻り、そこで熱を受け取って再び蒸発する。
【００２０】
図３は、スターリング冷凍機１１の構成を示す断面図である。図３において、このスターリング冷凍機１１は、フリーピストン型であり、内部に円筒状の空間を有するシリンダ４１内に、ピストン４３およびディスプレーサ４２を同軸上に嵌装することで、ピストン４３とディスプレーサ４２の間に圧縮室４４を、またディスプレーサ４２とシリンダ４１の閉塞端との間に膨張室４５をそれぞれ形成している。この圧縮室４４と膨張室４５との間には再生器４６が設置されており、これら圧縮室４４、膨張室４５および再生器４６によって閉回路が構成されている。
【００２１】
この閉回路内には、ヘリウムなどの不活性ガスが充填されている。上記シリンダ４１内に嵌装されたピストン４３は、リニアモータ４７などの駆動手段によって駆動され、シリンダ４１内を軸方向に往復動する。このピストン４３の往復動は、上記圧縮室４４内の作動ガスに周期的な圧力変化をもたらし、圧縮に伴って圧力上昇した作動ガスが再生器４６を介して膨張室４５へと流入する。この膨張室４５内への作動ガスの周期的な移動により、ディスプレーサ４２に周期的な軸方向の往復動が生じる。
【００２２】
ディスプレーサ４２は、ディスプレーサロッド４８の一端に固定されており、さらにこのディスプレーサロッド４８の他端は、スプリング４９を介して本体ケーシング５０に取付けられている。このディスプレーサロッド４８は、ピストン４３に設けられた軸方向の貫通孔を貫くように配置されている。上述した膨張室４５内部への作動ガスの周期的な流入により生じる往復動とスプリング４９の弾性力とにより、ディスプレーサ４２はピストン４３と同じ周期で、ある一定の位相差をもって往復動する。ディスプレーサ４２およびピストン４３の往復動によって圧縮された作動ガスがディスプレーサ４２およびピストン４３とシリンダ４１との隙間を満たすので、ガスベアリング効果が発生し、ディスプレーサ４２およびピストン４３とシリンダ４１とが接触することなく往復動する。以上の構成および動作により、上述の閉回路内に既知の熱力学的サイクルである逆スターリングサイクルが構成され、コールドヘッド５１近傍の外気が極低温に冷やされる。
【００２３】
次に、スターリング冷凍機１１の動作について説明する。ピストン４３により圧縮された圧縮室４４内の作動ガスは、再生器４６を経由して膨張室４５へ移動する際に、再生器４６が半サイクル前に蓄えていた冷熱によって予冷される。このとき、高温側内部熱交換器５２によって取り出された圧縮室４４内の熱が、ウォームヘッド５３によって高温側蒸発器１３に伝達される。作動ガスが膨張室４５に流入し、ディスプレーサ４２がピストン４３側に移動することによって、膨張室４５内の膨張が始まる。
【００２４】
この後、膨張がある程度進んだ時点で、ピストン４３の復帰力によりディスプレーサ４２は押し戻され、膨張室４５内の作動ガスは再生器４６を介して再び圧縮室４４へと移動を始める。このとき、コールドヘッド５１を介して低温側内部熱交換器５４が外部の熱を奪うことで、コールドヘッド５１近傍の外気が冷却される。大部分の作動ガスが圧縮室４４へ戻った後には、再び圧縮室４４内の作動ガスがピストン４３による圧縮を受けることで、次のサイクルへと移行する。以上のような一連の逆スターリングサイクルが連続的に繰り返されることにより、スターリング冷凍機１１から極低温が取り出される。
【００２５】
運転開始から一定時間経過後の定常運転動作時においては、ウォームヘッド５３とコールドヘッド５１の温度差がほぼ一定の安定した状態となる。これに相応して、圧縮室４４内および膨張室４５内の作動ガスにも一定の温度差が生じる。この場合、ピストン４３の振幅の２乗に比例した熱出力が発生するため、リニアモータ４７からみた場合にピストン４３の往復動は一定の負荷が与えられた状態に抑制されていることになる。また、ディスプレーサ４２は、このピストン４３の往復動の力を受けて一定の位相差をもって往復動しているため、これらのバランスが保たれることにより、ピストン４３とディスプレーサ４２が衝突することはない。なおこの一定の位相差は、約９０°程度が最適であるとされている。
【００２６】
しかしながら、長時間にわたって運転を停止していた場合や、装置購入当初に初めて運転を開始する場合などスターリング冷凍機１１の運転開始直後の非定常運転動作時においては、ウォームヘッド５３およびコールドヘッド５１の温度は雰囲気温度となっており、ウォームヘッド５３とコールドヘッド５１にほとんど温度差が生じていない。このため圧縮室４４内の作動ガス温度と膨張室４５内の作動ガス温度との温度差も殆ど生じていないため、ピストン４３は無負荷状態となっている。
【００２７】
この状態において、定常運転動作時と同じ入力をスターリング冷凍機１１に与えた場合には、ピストン４３の振幅が定常運転時に比べて大きくなる。また、ピストン４３とディスプレーサ４２の位相差も所望の位相差には達しておらず、ほぼ逆相に近い状態となっている。このため、何らスターリング冷凍機１１への入力を制御しない場合には、ピストン４３とディスプレーサ４２の衝突が起こる危険性があった。万が一にもピストン４３とディスプレーサ４２が衝突した場合には、スターリング冷凍機１１の破損は避けられない。
【００２８】
従来の冷却庫では、スターリング冷凍機の運転開始直後の非定常運転動作時に、ウォームヘッド５３とコールドヘッド５１の温度差を検出し、その検出値が大きくなるに従ってリニアモータ４７への印加電圧の上昇スピードを速くすることにより、ピストン４３の振り幅を抑え、ピストン４３とディスプレーサ４２の衝突を防止していた。しかし、この手法ではウォームヘッド５３とコールドヘッド５１の温度差が冷却庫の熱負荷によって変化するため、スターリング冷凍機を短時間で定常状態にすることができなかった。本願発明は、運転開始時にスターリング冷凍機１１の熱負荷を低減させることにより、この問題の解決を図るものである。
【００２９】
図４は、冷却庫のうちの運転制御に関連する部分を示すブロック図である。図４において、この冷却庫は、ウォームヘッド温度検出器６１、コールドヘッド温度検出器６２、冷蔵室温度検出器６３、急速冷凍室温度検出器６４、冷凍室温度検出器６５、インバータ６６、基準値記憶部６７、および制御部６８を備える。
【００３０】
ウォームヘッド温度検出器６１は、スターリング冷凍機１１のウォームヘッド５３に設けられてウォームヘッド５３の温度Ｔ１を検出し、検出値を示す信号を制御部６８に与える。コールドヘッド温度検出器６２は、スターリング冷凍機１１のコールドヘッド５１に設けられてコールドヘッド５１の温度Ｔ２を検出し、検出値を示す信号を制御部６８に与える。
【００３１】
冷蔵室温度検出器６３は、たとえばダクト２０の冷蔵室２側に断熱材を介して設けられ、冷蔵室２の温度Ｔ３を検出し、検出値を示す信号を制御部６８に与える。急速冷凍室温度検出器６４は、たとえばダクト２０の急速冷凍室３側の表面に設けられ、急速冷凍室３の温度Ｔ４を検出し、検出値を示す信号を制御部６８に与える。冷凍室温度検出器６５は、たとえばダクト２０の冷凍室４側に断熱材を介して設けられ、冷凍室４の温度Ｔ５を検出し、検出値を示す信号を制御部６８に与える。
【００３２】
インバータ６６は、制御部６８からのＰＷＭ信号に応じた振幅の交流電圧をリニアモータ４７のコイルに与える。リニアモータ４７は、インバータ６６から与えられた交流電圧の振幅に応じた振幅でピストン４３を駆動させる。基準値記憶部６７は、ウォームヘッド５３、コールドヘッド５１、冷蔵室２、急速冷凍室３、冷凍室４の各々の基準温度と、ウォームヘッド５３とコールドヘッド５１の温度差Ｔ１−Ｔ２の基準値ＴＲなどを記憶している。
【００３３】
制御部６８は、温度センサ６１〜６５および基準値記憶部６７からの各種情報に基づいて、インバータ６６、冷却ファン装置２２〜２４、放熱ファン３２、およびダンパ２５を制御する。
【００３４】
図５は、スターリング冷凍機１１の駆動開始時における制御部６８の動作を示すフローチャートである。ステップＳ１において制御部６８は、インバータ６６を制御して、ガスベアリング効果を生じさせる所定の最低電圧をスターリング冷凍機１１のリニアモータ４７に印加させる。これにより、ピストン４３とディスプレーサ４２がシリンダ４１内で往復動を開始する。
【００３５】
ステップＳ２において制御部６８は、温度検出器６１，６２の検出結果に基づいて、ウォームヘッド５３とコールドヘッド５１の温度差Ｔ１−Ｔ２が基準値記憶部６７に記憶された基準値ＴＲよりも小さいか否かを判別し、Ｔ１−Ｔ２＜ＴＲでない場合はステップＳ５に進み、Ｔ１−Ｔ２＜ＴＲである場合はステップＳ３において冷却負荷低減処理を行なう。この冷却負荷低減処理では、冷却ファン装置２２〜２４を停止させるとともに、ダンパ２５を閉じる。これにより、庫内の空気の循環が停止されてスターリング冷凍機１１の冷却負荷が低減され、ウォームヘッド５３とコールドヘッド５１の温度差Ｔ１−Ｔ２が増大する。
【００３６】
ステップＳ４において制御部６８は、高温側放熱特性低減処理を行なう。この高温側放熱特性低減処理では、放熱ファン３２を停止させる。これにより、高温側蒸発器１３の放熱特性が低下し、ウォームヘッド５３とコールドヘッド５１の温度差Ｔ１−Ｔ２がさらに増大する。
【００３７】
ステップＳ５では、図６に示すように、ウォームヘッド５３とコールドヘッド５１の温度差Ｔ１−Ｔ２（℃）が増大するにつれて、リニアモータ４７への印加電圧の上昇速度（Ｖ／Ｓ）を段階的に高くする。このとき、ステップＳ３,Ｓ４の処理によりスターリング冷凍機１１の熱負荷が低減されているので、庫内の収容物の種類、量などに関係なくウォームヘッド５３とコールドヘッド５１の温度差Ｔ１−Ｔ２が急速に増大し、リニアモータ４７への印加電圧も急速に上昇する。
【００３８】
ステップＳ６において制御部６８は、リニアモータ４７への印加電圧が所定の電圧に到達したか否かを判別し、到達していない場合はステップＳ５に戻り、到達した場合は駆動開始動作を終了する。
【００３９】
この後、制御部６８は、温度検出器６１〜６５の検出結果に基づいて、冷蔵室２、急速冷凍室３、冷凍室４の各々の室内温度が基準値記憶部６７に記憶された基準温度になるように、インバータ６６、冷却ファン装置２２〜２４およびダンパ２５を制御する。
【００４０】
この実施の形態では、スターリング冷凍機１１の駆動開始時にスターリング冷凍機１１の熱負荷を低減するので、ウォームヘッド５３とコールドヘッド５１の温度差Ｔ１−Ｔ２を短時間で大きくすることができ、スターリング冷凍機１１を短時間で定常状態にすることができる。
【００４１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の一実施の形態による冷却庫の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示した冷却庫の配管構成を示す図である。
【図３】図２に示したスターリング冷凍機の構成を示す断面図である。
【図４】図１に示した冷却庫におけるスターリング冷凍機の駆動開始動作に関連する部分を示すブロック図である。
【図５】図１に示した冷却庫におけるスターリング冷凍機の駆動開始動作を示すフローチャートである。
【図６】ウォームヘッドとコールドヘッドの温度差とリニアモータへの印加電圧の上昇速度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  ハウジング、２  冷蔵室、３  急速冷凍室、４  冷凍室、５  冷蔵室ドア、６  急速冷凍室ドア、７  冷凍室ドア、８  ドアパッキン、９  棚、１０  機械室、１１  スターリング冷凍機、１２  低温側凝縮器、１４  低温側２次冷媒循環パイプ、１５  低温側蒸発器、１６  低温側蒸発器室、２０  ダクト、２１  冷気噴出口、２２〜２４  冷却ファン装置、２５  ダンパ、３０  高温側２次冷媒循環パイプ、３１  高温側凝縮器、３２  放熱ファン装置、４１  シリンダ、４２  ディスプレーサ、４３  ピストン、４４  圧縮室、４５  膨張室、４６  再生器、４７  リニアモータ、４８  ディスプレーサロッド、４９  スプリング、５０  本体ケーシング、５１  コールドヘッド、５２  高温側内部熱交換器、５３  ウォームヘッド、５４  低温側内部熱交換器、６１〜６５  温度検出器、６６  インバータ、６７  基準値記憶部、６８  制御部。
【図１】
2006090588.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006090588.tif 000005
【図４】
2006090588.tif 000006
【図５】
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【図６】
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