(57)【要約】【課題】  放熱用熱交換部の温度センサおよび吸熱用熱交換部の温度センサのうちいずれか一方が故障した場合にも、安全性を確保しながら運転を継続し得るスターリング冷凍機およびそれが搭載された冷却庫を提供する。【解決手段】  冷却庫は、吸熱用熱交換部の温度を測定する低温側温度センサと、放熱用熱交換部の温度を測定する高温側温度センサと、低温側温度センサによって測定された低温側温度情報および高温側温度センサによって測定された高温側温度情報のそれぞれが入力されるとともに、ピストンを制御する制御装置とを備えている。また、制御装置は、低温側温度情報および高温側温度情報のうち少なくとも一方の情報が予め定められた情報以外の異常情報である場合に、応急運転として、冷凍能力が所定値以下になるようにピストンを駆動させる。【選択図】        図７
2006038314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復運動するピストンと、
前記ピストンの往復運動とは所定の位相差を有する状態で往復運動するディスプレーサと、
前記ピストンの往復運動と前記ディスプレーサの往復運動とによって冷媒が膨張する膨張空間と、
前記膨張空間において発生する冷熱が伝達される吸熱用熱交換部と、
前記吸熱用熱交換部の温度を測定する低温側温度センサと、
前記ピストンの往復運動と前記ディスプレーサの往復運動とによって冷媒が圧縮される圧縮空間と、
前記圧縮空間において発生する温熱が伝達される放熱用熱交換部と、
前記放熱用熱交換部の温度を測定する高温側温度センサと、
前記低温側温度センサによって測定された低温側温度情報および前記高温側温度センサによって測定された高温側温度情報のそれぞれが入力されるとともに、前記ピストンを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記低温側温度情報および前記高温側温度情報のうち少なくとも一方の情報が予め定められた範囲外の異常情報である場合に、応急運転として、冷凍能力が所定値以下になるように前記ピストンを駆動させる、スターリング冷凍機。
【請求項２】
前記放熱用熱交換部において得られた温熱を受け取り、受け取った前記温熱を２次冷媒によって循環させる高温側２次冷媒循環パイプと、
前記高温側２次冷媒循環パイプに接続された放熱器と、
前記制御装置にて制御され、前記放熱器の熱交換を送風によって促進する送風装置とをさらに備え、
前記制御装置は、前記応急運転が行なわれているときには、当該応急運転を行なう前の前記送風装置の送風能力よりも高い送風能力で前記送風装置を駆動させる、請求項１に記載のスターリング冷凍機。
【請求項３】
シリンダ内を往復運動するピストンと、
前記ピストンの往復運動とは所定の位相差を有する状態で往復運動するディスプレーサと、
前記ピストンの往復運動と前記ディスプレーサの往復運動とによって冷媒が膨張する膨張空間と、
前記膨張空間において発生する冷熱が伝達される吸熱用熱交換部と、
前記吸熱用熱交換部の温度を測定する低温側温度センサと、
前記ピストンの往復運動と前記ディスプレーサの往復運動とによって冷媒が圧縮される圧縮空間と、
前記圧縮空間において発生する温熱が伝達される放熱用熱交換部と、
前記放熱用熱交換部の温度を測定する高温側温度センサと、
前記低温側温度センサによって測定された低温側温度情報および前記高温側温度センサによって測定された高温側温度情報のそれぞれが入力されるとともに、前記ピストンを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記低温側温度情報および前記高温側温度情報のうちの一方の情報が予め定められた範囲外の異常情報である場合に、前記低温側温度情報および前記高温側温度情報のうちの他方の情報を用いて、前記異常情報となっている前記一方の情報の代替情報を作成し、当該代替情報を用いて、前記ピストンを制御する、スターリング冷凍機。
【請求項４】
請求項１に記載のスターリング冷凍機と前記スターリング冷凍機の前記吸熱用熱交換部において発生した冷熱を用いて冷却される冷却空間とを有する冷却庫であって、
前記冷却空間には当該冷却空間の温度を測定する庫内温度センサが設けられ、
前記庫内温度センサによって測定された庫内温度情報が前記制御装置に入力され、
前記制御装置は、
前記庫内温度情報に基づく前記冷却空間の温度が所定温度範囲内に入るように、前記スターリング冷凍機を制御する第１制御と、
前記庫内温度情報に基づく前記冷却空間の温度が前記所定温度範囲よりも低い特定温度範囲内に入るように、前記スターリング冷凍機を制御する第２制御とを実行可能であり、
さらに、前記制御装置は、前記第２制御が実行されているときに前記応急運転が行われる場合には、前記第１制御の運転を行なう、冷却庫。
【請求項５】
請求項１に記載のスターリング冷凍機と前記スターリング冷凍機の前記吸熱用熱交換部において発生した冷熱を用いて冷却される冷却空間とを有する冷却庫であって、
前記冷却庫は、ヒータをさらに備え、
前記制御装置は、前記ヒータの駆動を制御するとともに、前記応急運転が行なわれるときには、前記ヒータの駆動を停止させる、冷却庫。
【請求項６】
請求項１に記載のスターリング冷凍機と前記スターリング冷凍機の前記吸熱用熱交換部において発生した冷熱を用いて冷却される冷却空間とを有する冷却庫であって、
前記冷却庫は、製氷機をさらに備え、
前記制御装置は、前記製氷機の駆動を制御するとともに、前記応急運転が行なわれるときには、前記製氷機の駆動を停止させる、冷却庫。
【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およびそれが搭載された冷却庫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スターリング冷凍機を搭載した冷却庫（冷凍庫，冷凍冷蔵庫）の商品化検討がなされている。スターリング冷凍機においては、放熱用熱交換部と吸熱用熱交換部とにそれぞれ温度センサが設けられている。冷却庫の制御部は、これらの温度センサの温度情報に基づいて、スターリング冷凍機の運転制御を行なっており、これらの温度センサのうちいずれかが故障すれば、安全性を確保するため、スターリング冷凍機の運転を停止させる。
【０００３】
なお、本明細書においては、冷凍および冷蔵の双方を含めた概念として冷却という用語を用いる。つまり、冷却庫は、冷却の対象となる空間を外気よりも低い温度にする装置の全てをいうものとする。また、冷却庫には冷凍冷蔵庫が含まれる。冷凍冷蔵庫とは、対象物を凍結させる冷凍庫と、対象物を凍結させることはないが、対象物の周囲空間を外気よりも低い温度に保持する冷蔵庫との双方を有する冷却庫である。
【特許文献１】特開２０００−１８７４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の冷却庫においては、放熱用熱交換部の温度センサおよび吸熱用熱交換部の温度センサのうちいずれか一方が故障すれば、スターリング冷凍機の運転が停止されてしまうため、冷却庫のユーザは不便な状態を強いられることになる。
【０００５】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱用熱交換部の温度センサおよび吸熱用熱交換部の温度センサのうちいずれか一方が故障した場合にも、安全性を確保しながら運転を継続し得るスターリング冷凍機およびそれが搭載された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】
【０００６】
本発明の一の局面のスターリング冷凍機は、シリンダ内を往復運動するピストンと、ピストンの往復運動とは所定の位相差を有する状態で往復運動するディスプレーサと、ピストンの往復運動とディスプレーサの往復運動とによって冷媒が膨張する膨張空間と、膨張空間において発生する冷熱が伝達される吸熱用熱交換部と、吸熱用熱交換部の温度を測定する低温側温度センサと、ピストンの往復運動とディスプレーサの往復運動とによって冷媒が圧縮される圧縮空間と、圧縮空間において発生する温熱が伝達される放熱用熱交換部と、放熱用熱交換部の温度を測定する高温側温度センサと、低温側温度センサによって測定された低温側温度情報および高温側温度センサによって測定された高温側温度情報のそれぞれが入力されるとともに、ピストンを制御する制御装置とを備えている。制御装置は、低温側温度情報および高温側温度情報のうち少なくとも一方の情報が予め定められた温度範囲外の異常情報である場合に、応急運転として、冷凍能力が所定値以下になるようにピストンを駆動させる。
【０００７】
上記の構成によれば、低温側温度センサおよび高温側温度センサのうち少なくともいずれか一方に異常が発生した場合においても、スターリング冷凍機の運転の安全を確保しながら、スターリング冷凍機の運転を継続することができる。
【０００８】
また、制御装置は、応急運転が行なわれているときには、ピストンのストロークを小さくするインバータ制御の他、スターリング冷凍機のＯＮ／ＯＦＦ制御を実行してもよい。この構成によれば、簡単な制御で応急運転を実行することができる。
【０００９】
また、スターリング冷凍機は、放熱用熱交換部において得られた温熱を受け取り、受け取った温熱を２次冷媒によって循環させる高温側２次冷媒循環パイプと、高温側２次冷媒循環パイプに接続された放熱器と、制御装置にて制御され、放熱器の熱交換を送風によって促進する送風装置とをさらに備えていることが望ましい。また、制御装置は、応急運転が行なわれているときには、当該応急運転を行なう前の送風装置の送風能力よりも高い送風能力で送風装置を駆動させることが望ましい。この構成によれば、応急運転が行なわれているときに、放熱用熱交換部の許容外温度上昇による不具合の発生確率を低減することができる。
【００１０】
本発明の他の局面のスターリング冷凍機は、シリンダ内を往復運動するピストンと、ピストンの往復運動とは所定の位相差を有する状態で往復運動するディスプレーサと、ピストンの往復運動とディスプレーサの往復運動とによって冷媒が膨張する膨張空間と、膨張空間において発生する冷熱が伝達される吸熱用熱交換部と、吸熱用熱交換部の温度を測定する低温側温度センサと、ピストンの往復運動とディスプレーサの往復運動とによって冷媒が圧縮される圧縮空間と、圧縮空間において発生する温熱が伝達される放熱用熱交換部と、放熱用熱交換部の温度を測定する高温側温度センサと、低温側温度センサによって測定された低温側温度情報および高温側温度センサによって測定された高温側温度情報のそれぞれが入力されるとともに、ピストンを制御する制御装置とを備えている。また、制御装置は、低温側温度情報および高温側温度情報のうちの一方の情報が予め定められた温度範囲外の異常情報である場合に、低温側温度情報および高温側温度情報のうちの他方の情報を用いて、異常情報となっている一方の情報の代替情報を作成し、当該代替情報を用いて、ピストンを制御する。
【００１１】
上記の構成によれば、低温側温度情報および高温側温度情報のうちいずれか一方が故障している場合においても、スターリング冷凍機の通常時の運転を継続することができる。
【００１２】
本発明の一の局面の冷却庫は、上述の一の局面のスターリング冷凍機とスターリング冷凍機の吸熱用熱交換部において発生した冷熱を用いて冷却される冷却空間とを有している。冷却空間には当該冷却空間の温度を測定する庫内温度センサが設けられている。また、庫内温度センサによって測定された庫内温度情報が制御装置に入力される。また、制御装置は、庫内温度情報に基づく冷却空間の温度が所定温度範囲に入るように、スターリング冷凍機を制御する第１制御と、庫内温度情報に基づく冷却空間の温度が所定温度範囲よりも低い特定温度範囲に入るように、スターリング冷凍機を制御する第２制御とを実行可能である。さらに、制御装置は、第２制御が実行されているときに応急運転が行われる場合には、第１制御の運転を行なう。
【００１３】
上記の構成によれば、スターリング冷凍機が大きな冷凍能力を発揮しないように、小さなストロークでピストンが往復運動する運転が行なわれる。その結果、スターリング冷凍機が異常温度状態の運転により損傷することが防止される。
【００１４】
本発明の他の局面の冷却庫は、上述の一の局面のスターリング冷凍機とスターリング冷凍機の吸熱用熱交換部において発生した冷熱を用いて冷却される冷却空間とを有している。また、冷却庫はヒータをさらに備えている。また、制御装置は、ヒータの駆動を制御するとともに、応急運転が行なわれるときには、ヒータの駆動を停止させる。
【００１５】
上記の構成によれば、応急運転時にはヒータの駆動を停止させるため、スターリング冷凍機の冷凍能力が小さくなった場合に、冷却空間の温度の上昇を少しでも抑制することができる。
【００１６】
本発明のさらに他の局面の冷却庫は、上述の一の局面のスターリング冷凍機とスターリング冷凍機の吸熱用熱交換部において発生した冷熱を用いて冷却される冷却空間とを有している。冷却庫は、製氷機と、製氷機の駆動を制御する制御装置とをさらに備えている。また、制御装置は、応急運転が行なわれるときには、製氷機の駆動を停止させる。
【００１７】
上記の構成によれば、応急運転時にスターリング冷凍機の冷凍能力が小さくなった場合に、製氷に要する冷凍能力をカットして冷却空間の温度の上昇を少しでも抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施の形態１）
まず、実施の形態の冷却庫に用いられるスターリング冷凍機を説明する。
【００１９】
図１は、実施の形態のスターリング冷凍機４０を示す断面図である。スターリング冷凍機４０においては、２つの部分で構成されている円筒形状のシリンダ３内に、円柱形のピストン１およびディスプレーサ２が嵌め込まれている。ピストン１とディスプレーサ２とは、圧縮空間９を介して設けられ、共通の駆動軸として軸Ｙを有している。
【００２０】
ディスプレーサ２の先端側に膨張空間１０が形成されている。圧縮空間９と膨張空間１０とはヘリウム等の作動媒体が流通する媒体流通路１１を介して連通している。媒体流通路１１内には、再生器１２が設けられている。再生器１２は、作動媒体の熱を蓄積するとともに、蓄積した熱を作動媒体に供給する。シリンダ３の略中間には鍔部（フランジ）３ａが設けられている。鍔部３ａにはドーム状の耐圧容器４が取り付けられることによって密閉されたバウンス空間（背面空間）８が形成されている。
【００２１】
ピストン１は後端側で支持バネ５と一体化されている。ディスプレーサ２はピストン１の中心孔１ａを貫通するロッド２ａを介して支持バネ６と一体化されている。支持バネ５と支持バネ６とはボルトおよびナット２２により連結されている。後述するように、ピストン１が往復運動すると、ディスプレーサ２は、その両端面に働く圧力差によって、ピストン１に対し所定の位相差を有する状態で往復運動を行なう。
【００２２】
バウンス空間８内のシリンダ３の外側には内側ヨーク１８が嵌め込まれている。内側ヨーク１８には隙間１９を介して外側ヨーク１７が対向している。外側ヨーク１７の内側には駆動用コイル１６が嵌め込まれている。隙間１９には環状の永久磁石１５が移動可能に設けられている。永久磁石１５はカップ状のスリーブ１４を介してピストン１と一体化されている。内側ヨーク１８、外側ヨーク１７、駆動用コイル１６、および永久磁石１５によって、ピストン１を軸Ｙに沿って移動させるリニアモータ１３が構成されている。
【００２３】
駆動用コイル１６には、リード線２０および２１が接続されている。リード線２０および２１は、耐圧容器４の壁面を貫通し、制御装置３０に接続されている。制御装置３０によってリニアモータ１３に駆動電力が供給される。
【００２４】
上記構成のスターリング冷凍機４０は、リニアモータ１３によってピストン１が往復運動すると、ピストン１に対して所定の位相差を有する状態でディスプレーサ２が往復運動する。これにより、圧縮空間９と膨張空間１０との間を作動媒体が移動する。その結果、逆スターリングサイクルが形成される。
【００２５】
図２は、制御装置３０とスターリング冷凍機４０との電気的な接続の状態を示す図である。スターリング冷凍機４０の外側面には、膨張空間１０の温度Ｔｃを検知する温度センサ３４、圧縮空間９の温度Ｔｈを検知する温度センサ３５、および、バウンス空間８の温度Ｔｂを検知する温度センサ３６が取り付けられている。
【００２６】
制御装置３０には、温度センサ３４の出力情報をアナログ情報からデジタル情報へ変換するＴｃＡ／Ｄ変換部１０８、温度センサ３５の出力情報をアナログ情報からデジタル情報へ変換するＴｈＡ／Ｄ変換部１０９、温度センサ３６の出力情報をアナログ情報からデジタル情報へ変換するＴｂＡ／Ｄ変換部１１０が設けられている。また、リード線２０および２１を介してハーメチックシール端子３７にはリニアモータ駆動用電圧出力部１０１が接続されている。リニアモータ駆動用電圧出力部１０１は、リニアモータ１３の駆動電圧を出力する。
【００２７】
また、制御装置３０は、制御信号を送信するための信号線によって、後述するヒータ１０００，１４００、ダンパ２０００、製氷機３０００を制御する前述の各機器と接続されている。
【００２８】
図３は、制御装置３０の更に詳細を示すブロック図である。制御装置３０には、各種演算等を行なうマイクロコンピュータ１０４が設けられる。マイクロコンピュータ１０４には、制御装置３０の各部に電源を供給する電源部１０５が接続されている。
【００２９】
また、マイクロコンピュータ１０４には、電圧値入力部１０２が接続されている。電圧値入力部１０２は、電源部１０５の入力電圧を検出する電圧センサ（図示せず）の検出値をアナログ情報からデジタル情報へ変換された状態で受け入れる。また、マイクロコンピュータ１０４には、リニアモータ１３の電流を検出する電流センサ３３の検出値がアナログ情報からデジタル情報へ変換されたものが入力される電流値入力部１０３が接続されている。さらに、制御装置３０をリセットするリセット部１０６、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバーター波形を生成するための発振部１０７、および書換可能な不揮発性記憶素子（ＥＥＰＲＯＭ：Erectric Erasable Programable Read Only Memory）からなる記憶部１１１がマイクロコンピュータ１０４に接続されている。
【００３０】
この記憶部１１１には、少なくとも各スターリング冷凍機４０に応じた、入力電圧と冷凍出力との関係が記憶されている。図１に示したようなフリーピストン型のスターリング冷凍機４０においては、ピストン１の往復運動に基づいてディスプレーサ２が圧縮空間９および膨張空間１０の圧力変動に起因して往復運動する。そのため、媒体流通路１１を通過する冷媒の流動抵抗の変化等に起因して、入力電圧に対するディスプレーサ２の移動量がスターリング冷凍機４０ごとにばらつく傾向がある。このばらつきが生じるということは、一定の入力電圧を複数のスターリング冷凍機のそれぞれに与えた場合においても、スターリング冷凍機の冷凍出力が異なってしまうということを意味する。そこで、各スターリング冷凍機の出力を正確に制御するために、スターリング冷凍機に応じた入力電圧と冷凍出力との関係を数値データとして算出するとともに、その数値化されたデータを記憶部１１１に記憶させる。それにより、マイクロコンピュータ１０４は、前述の関係を示す数値化されたデータを用いてリニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力される電圧をコントロールする。
【００３１】
後述するように、電圧値入力部１０２からマイクロコンピュータ１０４へ入力されたデータに応じてマイクロコンピュータ１０４から電源部１０５へ制御信号が送信される。これにより、電源部１０５の出力電圧が制御される。また、リニアモータ駆動用電圧出力部１０１は、マイクロコンピュータ１０４の制御によって電源部１０５の出力電圧をＰＷＭインバータ波形に変換するとともに、その変換されたＰＷＭインバータ波形の電圧をリニアモータ１３に供給する。
【００３２】
また、通常運転時には、マイクロコンピュータ１０４は、後述するヒータ１０００，１４００および製氷機３０００を駆動するとともに、ダンパ２０００を開く状態にする制御信号を出力するが、後述する応急運転時には、ヒータ１０００，１４００および製氷機３０００の駆動を停止するとともに、ダンパ２０００を閉じる状態にする制御信号を出力する。
【００３３】
図４は、マイクロコンピュータ１０４の内部構成を示すブロック図である。マイクロコンピュータ１０４内には、制御プログラムが記憶された読出し専用のＲＯＭ１２１、演算の一時記憶を行なうＲＡＭ１２２、運転時間等を計時するタイマ１２３、および入出力用のＩ／Ｏポート１２５がＣＰＵ１２４に接続されている。ＣＰＵ１２４がＲＯＭ１２１から読出した制御プログラムを実行することにより、スターリング冷凍機４０の制御が行なわれる。
【００３４】
上述の実施形態のスターリング冷凍機４０は、所定の交流波形の駆動電圧がリニアモータ１３に印加されると、ピストン１がその所定の交流波形の駆動電圧に対応した周期およびストロークで往復運動を行なう。したがって、リニアモータ１３に印加される駆動電圧を制御することにより、ピストン１の往復運動の周期およびストロークを制御することが可能である。
【００３５】
次に、上記本実施形態のフリーピストン型スターリング冷凍機の動作原理をより詳細に説明する。
【００３６】
ピストン１は、リニアモータ１３により駆動される。ピストン１は、支持バネ５に弾性的に支持されている。そのため、ピストン１は、その位置と時間との関係が正弦波を描くように運動する。
【００３７】
また、ピストン１の動きにより、圧縮空間９内の作動ガスは、その圧力と時間との関係が正弦波を描くように運動する。圧縮空間９内で圧縮された作動ガスは、まず、放熱用熱交換部としての圧縮空間９から熱を放出する。次に、圧縮された作動ガスは、ディスプレーサ２の周囲に設けられた再生器１２で冷却される。その後、圧縮された作動ガスは、再生器１２から吸熱用熱交換部としての膨張空間５へ流入する。
【００３８】
膨張空間５の作動ガスは、ディスプレーサ２の動きにより膨張する。膨張した作動ガスは、その温度が低下する。膨張空間５内の作動ガスは、その圧力と時間との関係が正弦波を描くように運動する。膨張空間５内の作動ガスの圧力と時間との関係を示す正弦波は、圧縮空間９内の作動ガスの圧力と時間との関係を示す正弦波に対して、所定の位相差を有する波形であるが、同じ周期で変化する波形である。すなわち、ディスプレーサ２はピストン１に対して所定の位相差を有する状態で往復運動する。
【００３９】
膨張空間５における冷凍能力は、ディスプレーサ２の往復運動によって生じる膨張空間
１０内の作動ガスの圧力の変動の度合いによって決定される。また、膨張空間１０の圧力は、ピストン１の位相とディスプレーサ２の位相との変化、すなわち膨張空間１０の圧力と圧縮空間９の圧力との差によって生じるディスプレーサ２とピストン１との相対的な位置の変化によって変動する。
【００４０】
ディスプレーサ２とピストン１との相対的な位置関係は、ディスプレーサ２の質量、支持バネ６のバネ定数およびピストン１の周波数により決定される。また、ディスプレーサ２の質量および支持バネ６のバネ定数は、設計時に決定されるものであり、これを運転時に変更することはできない。
【００４１】
そこで、本実施の形態のスターリング冷凍機４０においては、図３に示すインバータ波形を出力する制御装置３０（この内部には、電流センサ３３を内蔵している。）と、スターリング冷凍機４０の吸熱用熱交換部としての膨張空間１０の温度を測定するためのサーミスタ回路（Ｔｃサーミスタ）と、放熱用熱交換部としての圧縮空間９の温度を測定するためのサーミスタ回路（Ｔｈサーミスタ）とバウンス空間８の温度を測定するためのサーミスタ回路（Ｔｂサーミスタ）とが設けられている。
【００４２】
なお、本実施の形態および後述する各実施の形態においては、上記制御装置３０内のマイクロコンピュータ１０４が、ＴｃＡ／Ｄ変換部１０８、ＴｈＡ／Ｄ変換部１０９、およびＴｂＡ／Ｄ変換部１１０のそれぞれを介して得られた各サーミスタ回路の情報および電流センサ３３の情報、電圧測定回路１１２等を用いて、ピストン１を駆動するための駆動電圧をリニアモータ駆動用電圧出力部１０１から出力する。
【００４３】
マイクロコンピュータ１０４から出力される電圧波形は、デジタル信号すなわちパルス波形である。このパルス波形をリニアモータ駆動用電圧出力部１０１においてアナログ信号すなわち正弦波に変換する。この正弦波の周波数が、スターリング冷凍機４０のピストン１の周波数になる。
【００４４】
なお、デジタル信号をアナログ信号に変換するときには、上述したようにＰＷＭが用いられる。つまり、マイクロコンピュータ１０４から順次出力される複数のパルスは、その幅が、小さいものから大きなものへと除々に変化し、ピークの幅になった後、除々に小さなものへと戻っていくように構成されている。それにより、交流波形が生成される。
【００４５】
以下、本実施の形態の冷却庫について、図面を参照しながら説明する。
【００４６】
図５は、フリーピストン型スターリング冷凍機を搭載した冷却庫の横断面の模式図である。図５に示すように、冷却庫は、冷却される対象物が収納される冷却空間１１６と、冷却空間１１６内の温度を低下させるためのスターリング冷凍機４０とを備えている。
【００４７】
冷却空間１１６内にはエバポレータ１３０が設けられている。エバポレータ１３０とスターリング冷凍機４０の吸熱用熱交換部（前述の膨張空間１０）とは低温側２次冷媒配管２００によって接続されている。したがって、膨張空間の冷熱は、低温側２次冷媒配管２００内を流れる２次冷媒（たとえば、二酸化炭素）によってエバポレータ１３０に伝達される。エバポレータ１３０は、２次冷媒が搬送する冷熱を冷却空間１１６に伝達する。この冷熱の伝達は、冷却用ファン１２０によって促進される。
【００４８】
スターリング冷凍機４０の近傍には、Ｔｈ側放熱フィン１１３が設けられている。スターリング冷凍機４０の放熱用熱交換部（前述の圧縮空間９）とＴｈ側放熱フィン１１３とは高温側２次冷媒配管３００によって接続されている。圧縮空間９の温熱は、高温側２次冷媒配管３００によって内を流れる２次冷媒（たとえば、水）によってＴｈ側放熱フィン
１１３に伝達される。Ｔｈ側放熱フィン１１３は、２次冷媒が搬送する温熱を冷却庫１００の外部に放出する。このＴｈ側放熱フィン１１３が温熱を放出する作用は、放熱装置１１９によって促進される。
【００４９】
スターリング冷凍機４０の吸熱用熱交換部（膨張空間１０）の温度Ｔｃを測定する温度センサ３４、および、スターリング冷凍機４０の放熱用熱交換部（圧縮空間９）の温度Ｔｈを測定する温度センサ３５は、前述したものと同様である。また、冷却空間１１６の温度Ｔｋを測定する庫内温度センサ１１７が冷却空間１１６を構成する冷却室の内壁に取り付けられている。前述の庫内温度センサ１１７により検出された温度Ｔｋを示す信号は、図２に示すように、制御装置３０内のＴｋＡ／Ｄ変換部１７０に送信される。
【００５０】
図５に示すように、本実施の形態の冷却庫１００が運転されているときには、次のような作用が生じる。
【００５１】
温度センサ３４によって測定された吸熱用熱交換部の温度Ｔｃの値、及び温度センサ３５によって測定された放熱用熱交換部の温度Ｔｈの値は、制御装置３０に送信される。スターリング冷凍機４０の吸熱用熱交換部の冷熱は、低温側２次冷媒配管２００内を流れる二酸化炭素によってエバポレータ１３０に伝達される。エバポレータ１３０によって冷却空間１１６内の空気に冷熱が伝達される。この冷熱は、冷却用ファン１２０の機能によって冷却空間１１６内を対流する。庫内温度センサ１１７によって測定された冷却空間１１６内の冷気の温度Ｔｋの値は制御装置３０に送信される。
【００５２】
スターリング冷凍機４０の放熱用熱交換部の温熱は、高温側２次冷媒配管３００を流れる水（水蒸気）によって放熱フィン１１３に伝達される。放熱フィン１１３において発せられた熱は、放熱装置（送風装置：ファンなど）１１９によって冷却庫１００の外部へ排気される。
【００５３】
図６に示すように、本実施の形態の冷却庫は、冷却空間としての、冷蔵室８００、冷凍室７００、および製氷室９００を備えている。スターリング冷凍機４０の吸熱用熱交換部（コールドヘッド）には、２次側冷媒配管１２００が接続されており、２次側冷媒配管１２００内には、たとえば二酸化炭素などの２次冷媒が循環する。２次側冷媒配管１２００は循環回路となっており、その一方端は蒸発器１１００に接続されている。蒸発器１１００では、２次側冷媒配管１２００の中を流れる２次側冷媒の冷熱が伝達され、外部では、図において矢印で示すように冷気がダクト１３００を通って上昇していく。ダクト１３００の各所には、開口が設けられており、冷蔵室８００、冷凍室７００、および製氷室９００のそれぞれに冷気が送り込まれる。
【００５４】
また、冷蔵室８００および冷凍室７００のそれぞれとダクト１３００とを連通する各開口には、図示しないが、ダンパが設けられている。また、製氷室９００とダクト１３００とを連通する開口部にはダンパ２０００が設けられている。製氷室９００の製氷のための冷気を製氷室９００内に導入しない場合には、製氷室９００に繋がるダクト開口部に設けられたダンパ２０００が閉じられる。また、冷却庫の最下部には、蒸発器１１００の除霜水が導かれる蒸発皿６００が設けられている。この蒸発皿６００においては、除霜水が集められ、ヒータ１４００の熱によって蒸発する。
【００５５】
また、冷蔵室８００と冷凍室７００との間の断熱壁内には、ヒータ１０００が設けられている。このヒータ１０００は、冷凍室７００の冷熱が冷蔵室８００へ伝達されることによって冷蔵室８００の底面において結露が生じることを防止するためのものである。したがって、応急運転時には、このヒータ１０００はオフとなる。また、応急運転時には蒸発皿６００に設けられたヒータ１４００もオフとなる。さらに、応急運転時には、製氷室９００へ導かれる冷気は必要ないので、製氷室９００へ導かれるダクト１３００の開口に設けられたダンパ２０００が閉じられると共に、製氷機３０００の新たな製氷動作は行われない。なお、製氷動作とは、製氷用の器に水を供給するポンプまたは弁などの動作を意味する。したがって、製氷機とは、製氷用の器に水を供給するためのポンプまたは弁などの製氷のために用いられる機器をいう。また、製氷機の停止とは、これらの機器の停止を意味する。
【００５６】
次に、図７を用いて、本実施の形態の冷却庫の制御装置３０において行なわれる応急運転判別処理を説明する。
【００５７】
本実施の形態の冷却庫の応急運転判別処理においては、まず、Ｓ１において、通常運転が実行される。次に、Ｓ２において、温度センサ３４の温度Ｔｃおよび温度センサ３５のＴｈの値がそれぞれ取得される。すなわち、放熱用熱交換部および吸熱用熱交換部のそれぞれの温度の値が取得される。次に、Ｓ３において、吸熱用熱交換部の温度Ｔｃの値が所定の範囲内にあるか否かが判別される。Ｓ３において、制御装置３０は、温度Ｔｃの値が所定の範囲内になければ、吸熱用熱交換部の温度センサ３４に異常が発生したと判断し、Ｓ５において応急運転を行なう。
【００５８】
また、Ｓ３において、温度Ｔｃの値が所定の範囲内にあれば、制御装置３０は温度センサ３４が正常に機能しているものと判断し、Ｓ４において、温度Ｔｈの値が所定の範囲内にあるか否かが判別される。Ｓ４において、温度Ｔｈが所定の範囲内になければ、制御装置３０は温度センサ３５に異常が発生したと判断し、Ｓ５において、応急運転が実行される。また、Ｓ４において温度Ｔｈの値が所定の範囲内にあれば、制御装置３０は温度センサ３４および温度センサ３５のいずれもが正常に機能しているものと判断し、応急運転を行なうことなく応急運転判別処理が終了する。
【００５９】
上記の本実施の形態の冷却庫の応急運転判別処理によれば、Ｓ３およびＳ４において、放熱用熱交換部の温度および吸熱用熱交換部の温度のうち少なくともいずれか一方の温度が所定の範囲内になければ、すなわち、吸熱用熱交換部および放熱用熱交換部に設けられた温度センサの故障があると判定されれば、Ｓ５において応急運転を行なう。つまり、応急運転は、温度センサ３４および温度センサ３５のうち少なくともいずれか一方が故障している場合に行なわれる。
【００６０】
次に、応急運転において行なわれる運転態様を表１を用いて説明する。
【００６１】
【表１】
2006038314.tif 000003
【００６２】
表１に示すように、通常運転時には、放熱装置１１９の放熱ファン回転速度は小さな値であるが、応急運転時には放熱用ファンの回転速度は通常運転時に比較して大きくなる。それにより、仮に、放熱用熱交換部の温度が異常に高温になっていたとしても、放熱用ファンの回転速度が大きくなることにより、熱交換の効率が高まるため、スターリング冷凍機が損傷してしまうことが防止されている。
【００６３】
また、通常運転時に運転しているヒータ１４００およびヒータ１０００のそれぞれは、応急運転時には停止される。つまり、ヒータ１４００および１０００のそれぞれは、冷蔵室８００内および冷凍室７００内の食品等の冷却対象物の状態を維持するために必ずしも必要でないため、制御装置３０は、ヒータ１４００および１０００のそれぞれの運転を停止することにより、スターリング冷凍機４０にかかる負担を少しでも小さくする運転を実行する。また、応急運転時には、製氷室９００に繋がるダクトの開口部に設けられたダンパが閉じられると共に製氷機３０００（製氷用のポンプまたは弁などを含む）の新たな製氷運転を禁止する（製氷機３０００の運転の停止）。すなわち、応急運転時には、制御装置３０が、製氷を行なう必要はないと判断し、製氷室９００内に導かれる冷気を遮断すると共に新たな製氷運転を禁止することにより、少しでも冷蔵室８００および冷凍室７００に冷気が流れるようにし製氷に要する冷凍能力をカットして、スターリング冷凍機４０の負担を軽減している。
【００６４】
また、通常運転時においては、スターリング冷凍機４０は、冷蔵室８００および冷凍室７００の負荷に応じて変化するような制御が行なわれているが、応急運転時には、通常運転時よりも小さな冷凍出力で運転が行なわれる。たとえば、ピストン１のストロークを最小にする制御が実行される。ピストン１のストロークが小さいほど、スターリング冷凍機４０の冷凍能力は小さくなる。そのため、応急運転時には、通常運転時よりもスターリング冷凍機４０の冷凍能力を小さくすることによって、吸熱用熱交換部の温度が低くなり過ぎること、および、放熱用熱交換部の温度が高くなり過ぎることが防止される。それにより、スターリング冷凍機４０が損傷することが防止される。
【００６５】
また、ピストン１のストローク値を最小値にする代わりに、ピストン１のストロークを通常運転時よりは僅かに小さな所定値にし、かつスターリング冷凍機４０をＯＮ／ＯＦＦ制御のオン期間を所定時間にするような制御が実行されてもよい。これによっても、応急運転時には、通常運転時よりも、スターリング冷凍機４０の冷凍能力を小さくすることができる。
【００６６】
さらに、前述のようにピストン１のストロークの制御を変更するのではなく、庫内に設けられた庫内温度センサ１１７の目標温度値を通常運転時よりも高い値に変更するような制御が行なわれてもよい。この制御によれば、庫内温度センサ１１７の温度が通常運転時よりも高い温度になるようにスターリング冷凍機４０の出力が制御される。すなわち、通常運転時よりもピストン１のストロークが小さくなるような制御が実行される。
【００６７】
上記のような応急運転時の制御によれば、通常運転時に比較して、スターリング冷凍機４０の出力が小さくなるため、仮に放熱用熱交換部の温度センサ３５および吸熱用熱交換部の温度センサ３４の少なくともいずれか一方が故障していても、スターリング冷凍機４０を異常温度状態で運転することがないため、スターリング冷凍機が損傷する恐れが低減される。
【００６８】
（実施の形態２）
次に、図８を用いて実施の形態２のスターリング冷凍機の制御装置３０において行なわれる応急運転時制御処理を説明する。
【００６９】
なお、本実施の形態の冷却庫は、次に説明する応急運転時制御処理以外の制御および冷却庫ならびにスターリング冷凍機の全体構成については、実施の形態１の冷却庫およびスターリング冷凍機と全く同様である。
【００７０】
本実施の形態の応急運転時制御処理においては、Ｓ１１において、まず通常運転が実行される。次に、Ｓ１２において、温度センサ３４の温度Ｔｃおよび温度センサ３５の温度Ｔｈの値が取得される。次に、Ｓ１３において温度Ｔｃの値が所定の範囲内であるか否かが判別される。Ｓ１３において、温度Ｔｃの値が所定の範囲内にあれば、制御装置３０は、温度センサ３４が正常に機能していると判断し、Ｓ１４において、温度Ｔｈの値が所定の範囲内にあるか否かが判別される。Ｓ１４において、温度Ｔｈの値が所定の範囲内にあれば、放熱用熱交換部の温度センサ３５および吸熱用熱交換部の温度センサ３４のいずれもが正常に機能しているため、何ら応急運転を行なうことなく、Ｓ１１の通常運転が継続される。
【００７１】
また、Ｓ１４において、温度Ｔｈの値が所定の範囲内になければ、制御装置３０は、放熱用熱交換部の温度センサ３５が故障していると判断し、Ｓ１４において、吸熱用熱交換部の温度センサ３４の温度Ｔｃの値を用いて、放熱用熱交換部の温度センサ３５の温度Ｔｈの値を予測する。この予測によって算出された温度Ｔｈの値を用いて、放熱用熱交換部の温度センサ３５が故障していない場合と同様に、Ｓ１１において通常運転が継続される。
【００７２】
また、Ｓ１３において、温度Ｔｃの値が所定の範囲内になければ、制御装置３０は、温度センサ３４が故障していると判断し、Ｓ１６において、温度Ｔｈの値が所定の範囲内にあるか否かが判別される。Ｓ１６において、温度Ｔｈの値が所定の範囲内になければ、放熱用熱交換部の温度センサ３５および吸熱用熱交換部の温度センサ３４のいずれもが故障しているため、制御装置３０は、スターリング冷凍機４０の運転を停止する必要があると判断し、Ｓ１８において、スターリング冷凍機４０および他のすべての機器の運転を停止し故障の表示をする。また、Ｓ１６において、温度Ｔｈの値が所定の範囲内にあれば、吸熱用熱交換部の温度センサ３４は故障しているが、放熱用熱交換部の温度センサ３５は故障していないため、Ｓ１７において、放熱用熱交換部の温度センサの温度Ｔｈの値を用いて、吸熱用熱交換部の温度センサ３４の温度Ｔｃの値を算出する。それにより、吸熱用熱交換部の温度センサ３４の温度Ｔｃの値が正常に得られる場合と同様、Ｓ１１において通常運転が継続される。
【００７３】
上記のような、本実施の形態の応急運転時制御処理によれば、放熱用熱交換部の温度センサ３５および吸熱用熱交換部の温度センサ３４のうちいずれか一方が故障している場合に、他方の温度センサの温度の値を用いて一方の温度センサの温度の値を予測することにより、放熱用熱交換部の温度センサ３５および吸熱用熱交換部の温度センサ３４のいずれもが正常に機能しているかのように応急運転時の制御処理が行なわれる。
【００７４】
但し、本実施の形態のような故障している温度センサの温度値を予測するためには、予め実験によって得られた、吸熱用熱交換部の温度センサ３４の温度の値と、放熱用熱交換部の温度センサ３５の温度の値との対応関係をデータテーブルに記憶している必要がある。また、制御装置３０は、故障時に、いずれか一方の温度センサの値を用いて、データテーブルを参照して、他方の温度センサの値を導き出す制御を実行する必要がある。
【００７５】
このような本実施の形態の冷却庫の制御方法によれば、２つの温度センサのうちいずれか一方が故障している場合には、故障していない他方の温度センサの値を用いて、あたかも双方の温度センサが正常に機能しているかのように通常運転を継続することが可能となる。
【００７６】
なお、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】
【００７７】
【図１】実施の形態のスターリング冷凍機の構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態のスターリング冷凍機のリニアモータと制御装置との関係を説明するための図である。
【図３】実施の形態のスターリング冷凍機の制御装置の内部構成を説明するための図である。
【図４】実施の形態のスターリング冷凍機のマイクロコンピュータの内部を説明するための図である。
【図５】実施の形態の冷凍庫を上側から見たときの各機器の配置の模式図である。
【図６】実施の形態の冷却庫の縦断面の模式図である。
【図７】実施の形態１の応急運転判別処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】実施の形態２の応急運転時制御処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７８】
１３０  エバポレータ、１１３  Ｔｈ側放熱フィン、１１９  放熱装置、１２０  冷却用ファン、３０  制御装置、３４，３５  温度センサ、４０  スターリング冷凍機、１１６  冷却空間、１１７  庫内温度センサ。
【図１】
2006038314.tif 000004
【図２】
2006038314.tif 000005
【図３】
2006038314.tif 000006
【図４】
2006038314.tif 000007
【図５】
2006038314.tif 000008
【図６】
2006038314.tif 000009
【図７】
2006038314.tif 000010
【図８】
2006038314.tif 000011