(57)【要約】【課題】  液相循環回路の液相循環ポンプの起動不良および循環回路の効率低下を防止し得るスターリング冷凍機搭載型冷却庫を提供する。【解決手段】  スターリング冷凍機１の運転が停止されているときに、高温ヘッド１ｃの温度または外気温と高温ヘッド１ｃとの温度差に基づいて、液相循環ポンプ５および放熱ファン３４の出力を低下させて、循環回路３３内の二次冷媒の温度が下がり過ぎないようにする。【選択図】        図１
2006336879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷熱を生成する低温ヘッドと前記冷熱の生成の代償として温熱を発生させる高温ヘッドとを有するスターリング冷凍機と、
前記高温ヘッドに接続され、前記高温ヘッドから温熱を受け取った二次冷媒が自然循環する循環回路と、
前記循環回路に設けられ、前記二次冷媒と外気との熱交換が行なわれる放熱器と、
前記放熱器に送風する放熱ファンと、
前記高温ヘッドに接続され、液相二次冷媒が循環する液相循環回路と、
前記液相二次冷媒を強制循環させる液相循環ポンプと、
前記高温ヘッドの温度を検知する第１温度センサと、
外気の温度を検知する第２温度センサと、
前記第１温度センサおよび前記第２温度センサの温度情報が入力され、前記スターリング冷凍機および前記放熱ファンを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記スターリング冷凍機の停止時に、前記第１温度センサの検知温度または前記第１温度センサと前記第２温度センサとの検知温度の差に基づいて、前記二次冷媒の温度が下がり過ぎないように、前記放熱ファンの出力を低下させる制御を行なう、冷却庫。
【請求項２】
冷熱を生成する低温ヘッドと前記冷熱の生成の代償として温熱を発生させる高温ヘッドとを有するスターリング冷凍機と、
前記高温ヘッドに接続され、前記高温ヘッドから温熱を受け取った二次冷媒が自然循環する循環回路と、
前記循環回路に設けられ、前記二次冷媒と外気との熱交換が行なわれる放熱器と、
前記高温ヘッドに接続され、液相二次冷媒が循環する液相循環回路と、
前記液相二次冷媒を強制循環させる液相循環ポンプと、
前記高温ヘッドの温度を検知する第１温度センサと、
外気の温度を検知する第２温度センサと、
前記第１温度センサおよび前記第２温度センサの温度情報が入力され、前記スターリング冷凍機および前記液相循環ポンプを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記第１温度センサの検知温度または前記第１温度センサと前記第２温度センサとの検知温度の差に基づいて、前記二次冷媒の温度が下がり過ぎないように、前記液相循環ポンプの出力を低下させる制御を行なう、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を備えた冷却庫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、スターリング冷凍機が生成する冷熱によって冷却室内を冷却する冷却庫の開発が行なわれている。スターリング冷凍機は、冷熱を低温ヘッドで生成するとともに、その代償として、高温ヘッドで温熱を発生させる。
【０００３】
この高温ヘッドにおいて発生した温熱を外気へ放出するために、高温ヘッドの周囲に蒸発器が設けられ、蒸発器内において気化した二次冷媒が循環回路内を自然に循環する。循環回路の途中には凝縮器として機能する放熱器が設けられており、放熱器内で外気と気化した二次冷媒とが熱交換を行なう。この熱交換は、放熱器の近傍に設けられた放熱ファンの回転で生じる気流によって促進される。蒸発器で熱交換を終えた二次冷媒は、液化して自然に流下し、蒸発器に戻る。
【０００４】
一方、従来のスターリング冷凍機を備えた冷却庫においては、高温ヘッドにおいて発生した温熱を有効利用するために、前述の循環回路とは別に、液相二次冷媒を循環させるための液相循環回路が設けられている。液相循環回路内では、高温ヘッドの温熱を得た液相二次冷媒が、液相循環ポンプによって強制循環されている。したがって、液相循環回路の周囲の外気は、液相循環回路内を循環する液相二次冷媒の温熱によって暖められる。その結果、液相循環回路の周囲の空間における結露の発生が防止されている。
【特許文献１】特開２００４−１０１０５０号公報
【特許文献２】特開２００５−６１８１８号公報
【特許文献３】特開２００４−２００５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような冷却庫においては、循環回路の二次冷媒の温度が下がり、液相二次冷媒中の気泡が消失している場合には、スターリング冷凍機の起動時に二次冷媒をかなり過熱状態にする必要が生じるという問題がある。そのため、再度スターリング冷凍機を起動する場合には、二次冷媒の温度をある程度以上の温度に維持しておくことが望ましい。しかしながら、従来においては、スターリング冷凍機が停止された場合に、次のスターリング冷凍機の運転に備えて、二次冷媒の温度を適切な値に維持するための制御は行なわれていなかった。
【０００６】
本発明は、前述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スターリング冷凍機が停止された場合に、次のスターリング冷凍機の運転に備えて、二次冷媒の温度を適切な値に維持する制御を行なう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】
【０００７】
本発明の冷却庫は、冷熱を生成する低温ヘッドと冷熱の生成の代償として温熱を発生させる高温ヘッドとを有するスターリング冷凍機と、高温ヘッドに接続され、高温ヘッドから温熱を受け取った二次冷媒が自然循環する循環回路とを備えている。また、本発明の冷却庫は、循環回路に設けられ、二次冷媒と外気との熱交換が行なわれる放熱器と、放熱器に送風する放熱ファンと、高温ヘッドに接続され、液相二次冷媒が循環する液相循環回路と、液相二次冷媒を強制循環させる液相循環ポンプと、高温ヘッドの温度を検知する第１温度センサと、外気の温度を検知する第２温度センサと、第１温度センサおよび第２温度センサの温度情報が入力され、スターリング冷凍機および放熱ファンを制御する制御装置とを備えている。さらに、制御装置は、スターリング冷凍機の停止時に、第１温度センサの検知温度または第１温度センサと第２温度センサとの検知温度の差に基づいて、二次冷媒の温度が下がり過ぎないように、放熱ファンの出力を低下させる制御を行なう。
【０００８】
上記の構成によれば、スターリング冷凍機が停止された場合に、次のスターリング冷凍機の運転に備えて、二次冷媒の温度を適切な値に維持する制御を行なうことができる。
【０００９】
本発明の冷却庫は、冷熱を生成する低温ヘッドと冷熱の生成の代償として温熱を発生させる高温ヘッドとを有するスターリング冷凍機と、高温ヘッドに接続され、高温ヘッドから温熱を受け取った二次冷媒が自然循環する循環回路と、循環回路に設けられ、二次冷媒と外気との熱交換が行なわれる放熱器と、高温ヘッドに接続され、液相二次冷媒が循環する液相循環回路と、液相二次冷媒を強制循環させる液相循環ポンプと、高温ヘッドの温度を検知する第１温度センサと、外気の温度を検知する第２温度センサと、第１温度センサおよび第２温度センサの温度情報が入力され、スターリング冷凍機および液相循環ポンプを制御する制御装置とを備えている。制御装置は、第１温度センサの検知温度または第１温度センサと第２温度センサとの検知温度の差に基づいて、二次冷媒の温度が下がり過ぎないように、液相循環ポンプの出力を低下させる制御を行なう。
【００１０】
上記の構成によっても、スターリング冷凍機が停止された場合に、次のスターリング冷凍機の運転に備えて、二次冷媒の温度を適切な値に維持する制御を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図を用いて、本発明の実施の形態の冷却庫を説明する。
まず、図１〜図６を用いて、本発明の実施の形態１の冷却庫を説明する。
【００１２】
実施の形態の冷却庫１０００においては、冷却室を冷却するために、図１に示すようなスターリング冷凍機１が用いられている。また、冷却庫１０００は、その内部に冷却の対象物が収納され、スターリング冷凍機１によって冷却される冷蔵室および冷凍室からなる冷却室を有しているが、その構造は図示されていない。
【００１３】
前述のスターリング冷凍機１は、逆スターリングサイクルの中で、一次冷媒の膨張によって冷熱を発生させる低温ヘッド１ａと、前述の冷熱の発生の間に、一次冷媒の圧縮によって温熱を発生させる高温ヘッド１ｂとを有している。低温ヘッド１ａで生成された冷熱は、低温側凝縮器２内の二次冷媒（たとえば、二酸化炭素）へ伝達される。低温側凝縮器２内の二次冷媒は、液化する。液化した二次冷媒は、低温側蒸発器（冷却器）２０内へ自然に流下する。低温側蒸発器２０内では液化している二次冷媒が気化する。それにより、低温側蒸発器２０と外気との間で熱交換が行なわれる。この低温側蒸発器２０の周囲において生成された冷気が冷却ファン(図示せず)によって冷却室内に送り込まれる。
【００１４】
一方、高温ヘッド１ｂの周囲には高温側蒸発器１ｃが設けられている。また、高温側蒸発器１ｃには循環回路３３が接続されている。さらに、循環回路３３には凝縮器（放熱器）３が接続されている。
【００１５】
スターリング冷凍機１の運転中には、循環回路３３内において、気化した二次冷媒(たとえば、水とアルコールとの混合溶液）が循環する。二次冷媒は、高温側蒸発器１ｃ内において、高温ヘッド１ｂから熱を受けて気化して気相二次冷媒となる。また、気相二次冷媒は、循環回路３３内を自然に上昇し、高温側凝縮器３に至る。その後、気相二次冷媒は、高温側凝縮器３内において、外気と熱交換し、液化する。気相二次冷媒と外気との熱交換は、放熱ファン３４の回転で生じる気流によって促進される。液化した二次冷媒は、高温側凝縮器３から高温側蒸発器１ｃへ自然流下によって戻り、再度熱を受けて気化する。循環回路３３内では、前述の高温側蒸発器１ｃでの気化および高温側凝縮器３での凝縮からなるサイクルが繰り返される。
【００１６】
また、高温側蒸発器１ｃには、前述の二次冷媒が液相冷媒（水）となって流れる液相循環回路４が接続されている。したがって、高温ヘッド１ｂと液相循環回路４とは高温側蒸発器１ｃを介して間接的に接続されている。液相循環回路４には、液相冷媒を強制循環させる液相循環ポンプ５が設けられている。
【００１７】
液相循環回路４は、液相循環ポンプ５へ液相冷媒を送り込む入口側配管部４ａと液相循環ポンプ５から液相冷媒が送り出される出口側配管部４ｂとを有している。高温側蒸発器１ｃは入口側配管部４ａに接続されている。また、入口側配管部４ａは、高温側蒸発器１ｃの下側に設けられている。そのため、高温側蒸発器１ｃにおいて発生した気相二次冷媒は、液相循環回路４内へ流れ込み難くなっており、高温側蒸発器１ｃに残留している液相二次冷媒のみが液相循環回路４内へ流れ込む。したがって、通常、液相循環回路４内は、液相二次冷媒のみが循環する。
【００１８】
また、出口側配管部４ｂには、結露防止配管部４４が接続されている。結露防止配管部４４は、図２に示すように、冷却庫１０００の筐体の内側であって、冷却室の外側の空間を循環するように、配置されている。出口側配管部４ｂから結露防止配管部４４へ高温ヘッド１ｂにおいて熱を受け取った液相二次冷媒が流れ込むと、その熱が結露防止配管部４４からその近傍の外気へ伝達される。それにより、結露防止配管部４４の周辺の外気は、熱せられ、その温度が上昇する。その結果、結露防止配管部４４の周辺の空間において結露が生じることが防止されている。
【００１９】
また、スターリング冷凍機１は、制御装置１００によって制御される。制御装置１００には、冷却庫１０００の外気に面する位置に設けられた温度センサ２００および高温ヘッド１ｂに設けられた温度センサ１ｄのそれぞれから温度情報が送信される。制御装置１００は、これらの温度情報に基づいて、放熱ファン３４および液相循環ポンプ５に指令信号を送信し、それらの運転状態を制御する。
【００２０】
前述のような冷却庫１０００においては、スターリング冷凍機１が停止しても放熱ファン３４および液相循環ポンプ５が運転され続けていると、図３の実線で示すように、循環路３３内の二次冷媒の温度が直に低下してしまう。そのため、スターリング冷凍機１の運転中に発生していた液相二次冷媒中の気泡が完全に消失してしまう。その結果、循環回路３３内の二次冷媒は、再起動後、再び、騒音および振動の発生を伴う過熱状態（図３参照）を経ないと効率的な運転状態にはならない。したがって、スターリング冷凍機１の運転の効率が低下する。
【００２１】
前述のような従来の冷却庫の課題を解決するために、高温ヘッド１ｂの温度または外気温と高温ヘッド１ｂの温度差に基づいて放熱ファン３４および液相循環ポンプ５の運転が制御される。
【００２２】
それにより、スターリング冷凍機１の運転が停止されている期間においては、循環路３３内の二次冷媒の温度は、時間の経過とともに急激に低下することが抑制される。この制御によれば、循環回路３３内の二次冷媒の温度は、図３の点線で示すように変化する。
【００２３】
具体的には、スターリング冷凍機１の運転が停止した後、高温ヘッド１ｂの温度が所定温度だけ下がったことを条件として放熱ファン３４の運転を停止する手法、または、スターリング冷凍機１の運転が停止された後、高温ヘッド１ｂと外気温との差が所定値以下になったことを条件として放熱ファン３４の運転を停止する手法などが考えられる。
【００２４】
前述の制御を図４〜図６のフローチャートを用いて具体的に説明する。
まず、図４を用いて、スターリング冷凍機１の起動直後の放熱ファン３４の処理が説明される。
【００２５】
図４に示すように、まず、Ｓ１において、スターリング冷凍機１がＯＮの状態であるか否かが判別される。Ｓ１において、スターリング冷凍機１がＯＮの状態でなければ、図６に示す後述するＳＳＳ１以降の処理が実行される。Ｓ１において、スターリング冷凍機１がＯＮであれば、Ｓ２において、スターリング冷凍機１を起動させる。なお、スターリング冷凍機１が既に起動している状態では、そのまま状態が維持される。
【００２６】
次に、Ｓ３において、プルダウン制御が実行されているか否かが判別される。プルダウン制御とは、冷却庫１０００を始動するためにスターリング冷凍機１を起動した直後、および、霜除運転を終了しスターリング冷凍機１を起動した直後に行なわれる制御であって、ピストンを最大ストロークでスターリング冷凍機１を運転する制御である。したがって、プルダウン制御が実行されているときには、低温ヘッド１ａは急速に温度が低下し、高温ヘッド１ｂは急速に温度が上昇する。
【００２７】
Ｓ３において、プルダウン制御時であると判定されれば、Ｓ４において、放熱ファン３４を起動させる。このとき、放熱ファン３４は、回転速度が大きな強回転を行なう。つまり、高温ヘッド１ｂの温度が急速に上昇するため、放熱ファン３４を強回転させることによって高温ヘッド１ｂの温度が上がり過ぎないようにする。一方、Ｓ３において、プルダウン制御時でないと判定されれば、図５に示す後述するＳＳ１の処理が実行される。
【００２８】
その後、Ｓ５において、液相循環ポンプ５を起動させた後、Ｓ６の処理が実行される。
次に、Ｓ６において、プルダウン制御が終了しているか否かが判別される。Ｓ６において、プルダウン制御が終了していなければ、Ｓ６の判別が繰り返されるが、Ｓ６において、プルダウン制御が終了していると判別されれば、Ｓ７において、放熱ファン３４の回転速度を低下させる制御が実行される。このとき、放熱ファン３４は、前述の強回転より回転速度が低い中回転を行なっている。Ｓ７の処理が終了すれば、Ｓ３の処理が再び実行される。なお、プルダウン制御が終了しているか否かの判別は、予め定められた時間が経過しているか否かによって決定される。ただし、この判別は、冷却空間の温度が所定温度に達しているか否かによって行なわれてもよい。
【００２９】
次に、図５を用いて、スターリング冷凍機１が起動した後であって、かつ、１回目の放熱ファン３４が起動した後の処理が説明される。
【００３０】
Ｓ３において、プルダウン制御時でないと判定されれば、ＳＳ１において、放熱ファン３４の運転が停止しているか否かが判別される。ＳＳ１において、放熱ファン３４の運転が停止されていれば、ＳＳ２において、高温ヘッド１ｂの温度が（外気温＋Ｔ１）℃以上であるか否かが判別される。外気温は、冷却庫１０００の筐体の表面に設けられた温度センサ２００から制御装置１００へ送信される温度情報に基づいて特定されている。ＳＳ２において、高温ヘッド１ｂの温度が（外気温＋Ｔ１）℃より小さければ、図６に示すＳＳＳ１以降の処理が実行されるが、ＳＳ２において、高温ヘッド１ｂの温度が（外気温＋Ｔ１）℃以上であれば、ＳＳ３において、放熱ファン３４が起動された後、ＳＳＳ１以降の処理が実行される。
【００３１】
一方、ＳＳ１において、放熱ファン３４の回転が停止していないと判定された場合には、ＳＳ４において、高温ヘッド１ｂの温度が（外気温＋Ｔ１−２）℃以上であるか否かが判別される。ＳＳ４において、高温ヘッド１ｂの温度が（外気温＋Ｔ１−２）℃より小さければ、ＳＳ５において放熱ファン３４が停止された後ＳＳＳ１の処理が実行されるが、ＳＳ４において、高温ヘッド１ｂの温度が（外気温＋Ｔ１−２）℃以上であれば、現在の運転が維持された状態で、ＳＳＳ１の処理が実行される。Ｔ１は、放熱器温度と外気温の温度差であり、たとえば、本発明の実施の形態では、１２℃である。
【００３２】
次に、図６を用いて、スターリング冷凍機１が停止した後の処理が説明される。
まず、ＳＳＳ１において、スターリング冷凍機１をＯＦＦする信号が入力されたか否かが判別される。ＳＳＳ１において、スターリング冷凍機１を停止する信号が入力されていないと判定されれば、図４に示す前述のＳ１の処理が実行されるが、ＳＳＳ１においてスターリング冷凍機１をＯＦＦする信号が入力されたと判定されれば、ＳＳＳ２において、現時点での高温ヘッド１ｂの温度センサ１ｄから送信されてきた温度情報Ｔ３を制御装置１００の内部メモリに記憶させる処理が実行される。また、現時点での温度センサ２００から送信されてきた外気温の温度情報Ｇが内部メモリに記憶される。なお、既に温度情報Ｔ３およびＧが記憶されている場合には、新たに温度情報Ｔ３およびＧを記憶する処理は実行されない。また、温度情報Ｔ３およびＧは、スターリング冷凍機１がＯＮされたときに消去される。
【００３３】
次に、ＳＳＳ４において、制御装置１００はスターリング冷凍機１を停止させる。ＳＳＳ４において、放熱ファン３４が停止しているか否かが判別される。ＳＳＳ４おいて、放熱ファン３４が停止していると判定された場合には、図４に示す前述のＳ１の処理が実行されるが、ＳＳＳ４において、放熱ファン３４が停止していないと判定された場合には、ＳＳＳ５の処理が実行される。なお、放熱ファン３４が停止しているか否かは、制御装置１００が放熱ファン３４の駆動信号を放熱ファン３４へ送信しているため、駆動信号が制御装置１００から放熱ファン３４へ送信されているか否かで判別することが可能である。
【００３４】
次に、ＳＳＳ５において、高温ヘッド１ｂの温度が（Ｔ３−１）℃より小さいか否かが判別される。ＳＳＳ５において、高温ヘッド１ｂの温度が（Ｔ３−１）℃以上であると判定されれば、図４に示す前述のＳ１の処理が実行されるが、ＳＳＳ５において、高温ヘッド１ｂの温度が（Ｔ３−１）℃より小さいと判定されれば、ＳＳＳ６において、放熱ファン３４の運転が停止され、ＳＳＳ７において、液相循環ポンプ５の運転が停止され、その後、図４に示す前述のＳ１の処理が実行される。
【００３５】
なお、ＳＳＳ５において、高温ヘッド１ｂの温度情報Ｔ３のみを用いて放熱ファン３４および液相循環ポンプ５の運転を停止するか否かの判別をする代わり、高温ヘッド１ｂの温度情報Ｔ３−外気温の温度情報Ｇが所定温度Ｔ４より小さいか否かによって放熱ファン３４および液相循環ポンプ５の運転を停止するか否かを判別してもよい。いずれの方法によっても、循環路３３内の二次冷媒の温度の下がり過ぎを防止することは可能であり、それにより、スターリング冷凍機の起動時に二次冷媒を過熱状態にする必要がない。
【００３６】
以上のことをまとめると次のようになる。
本実施の形態のスターリング冷凍機１が搭載された冷却庫１０００においては、制御装置１００が、まず、スターリング冷凍機１の高温側蒸発器１ｃの周面に取り付けられた温度センサ１ｄから送信されてきた高温ヘッド１ｂの温度情報Ｔ３および温度センサ２００から送信されてきた外気温の温度情報Ｇを得る。それにより、制御装置１００は、高温ヘッド１ｂの温度情報Ｔまたは高温ヘッド１ｂの温度情報Ｔ３−外気温の温度情報Ｇに応じて、放熱ファン３４および液相循環ポンプ５のそれぞれへ駆動信号を送信する。その駆動信号に基づいて、放熱ファン３４および液相循環ポンプ５は駆動される。具体的には、循環路３３内の二次冷媒の温度が下がり過ぎないように、放熱ファン３３および液相循環ポンプ５４を停止させる制御が行なわれる。そのため、スターリング冷凍機は、その運転が停止された場合に、次の運転に備えて、循環路３３内の二次冷媒の温度を適切な値に維持することが可能になる。
【００３７】
なお、本実施の形態においては、循環路３３内の二次冷媒の温度が下がり過ぎないようにするために、放熱ファン３４および液相循環ポンプ５を停止させているが、放熱ファン３４および液相循環ポンプ５の出力をスターリング冷凍機の運転時に比較して低下させる制御が行なわれても、ほぼ同様の効果を得ることは可能である。
【００３８】
また、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】
【００３９】
【図１】スターリング冷凍機および高温側二次冷媒循環回路の構成を示す図である。
【図２】冷却庫内を循環する結露防止配管部の概念図である。
【図３】高温側二次冷媒の温度とスターリング冷凍機のＯＮ／ＯＦＦとの関係を示す図である。
【図４】スターリング冷凍機が起動してから放熱ファンが起動するまでの処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】最初に放熱ファンが起動した後の処理を説明するためのフローチャートである。
【図６】実施の形態１のスターリング冷凍機が停止しているタイミングの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】
【００４０】
１  スターリング冷凍機、１ａ  低温ヘッド、１ｂ  高温ヘッド、１ｃ  高温側蒸発器、１ｄ  温度センサ、２  低温側凝縮器、３  高温側蒸発器、４  液相循環回路、４ａ  入口側配管部、４ｂ  出口側配管部、５  液相循環ポンプ、２０  低温側蒸発器、３３  循環回路、３４  放熱ファン、４４  結露防止配管部、１００  制御装置、２００  温度センサ、１０００  冷却庫。
【図１】
2006336879.tif 000003
【図２】
2006336879.tif 000004
【図３】
2006336879.tif 000005
【図４】
2006336879.tif 000006
【図５】
2006336879.tif 000007
【図６】
2006336879.tif 000008