(57)【要約】【課題】スターリング冷凍機の高温ヘッドの温熱をブラインにより防露部に伝える冷却庫において、広い範囲の防露部に十分な温熱を輸送できるようにする。【解決手段】スターリング冷凍機２０は高温ヘッド２１と低温ヘッド２２を備え、低温ヘッド２２の冷熱により冷却庫１の庫内を冷却する。高温ヘッド２１の温熱は高温側第１循環回路３０を通じて庫外に放熱され、また高温側第２循環回路５０を通じて冷却庫１の防露部５６に伝えられる。高温側第２循環回路５０には、熱交換器５１ａ、放熱部５２ａ、放熱部５２ｂ、熱交換器５１ｂ、放熱部５２ｃ、及び放熱部５２ｄがこの順序で直列接続されている。放熱部５２ａは除霜水蒸発部１３に対して、放熱部５２ｂは外気に対して、放熱部５２ｃ、５２ｄは防露部に対して、それぞれ放熱を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリング冷凍機の低温ヘッドの冷熱を低温側蒸発器を介して冷却空間に伝える低温側循環回路と、前記スターリング冷凍機の高温ヘッドの温熱を放熱する高温側循環回路を備えた冷却庫において、
前記高温側循環回路には、前記高温ヘッドの温熱をブラインに伝える熱交換器と、前記ブラインが受け取った温熱を防露部に伝える放熱部の組み合わせを複数組、直列に接続した防露配管が含まれることを特徴とする冷却庫。
【請求項２】
前記高温ヘッドの温熱を外気に放熱する高温側第１循環回路と、前記高温側第１循環回路から温熱の一部を受け取る高温側第２循環回路とを備え、
前記高温側第２循環回路が前記防露配管を構成することを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
【請求項３】
前記防露配管は除霜水蒸発部に対しても放熱を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却庫。
【請求項４】
前記防露部または除霜水蒸発部を通った後の前記防露配管に、外気への放熱部が設けられることを特徴とする請求項３に記載の冷却庫。
【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の低温ヘッドの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、本明細書においては、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」「自動販売機」といった商品としての名称を問わない。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、高温ヘッドの温度を高めるとともに低温ヘッドの温度を下げる。そして高温ヘッドで周囲環境に放熱を行い、低温ヘッドで庫内から吸熱を行うものである。
【０００４】
スターリング冷凍機で放熱と吸熱を行うにあたっては、気液相変化を伴うブライン（熱輸送媒体）を利用することが多い。すなわち高温ヘッドには高温側蒸発器を取付け、その中のブラインを温熱で蒸発させる。蒸発したブラインは高温側凝縮器に送られ、そこで放熱して液化し、高温側蒸発器に戻る。低温ヘッドには低温側凝縮器を取付け、その中のブラインを冷熱で凝縮させる。凝縮したブラインは低温側蒸発器に送られ、そこで吸熱して気化し、低温側凝縮器に戻る。
【０００５】
上記のようにブライン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に見ることができる。特許文献１には高温ヘッドの温熱をブラインにより冷却室の開口部など結露防止の必要な箇所（防露部）に伝えてこの箇所の温度が結露点以下に下がらないようにした構成が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２００５６号公報（第５頁−第１２頁、図１−図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高温ヘッドの温熱をブラインで防露部に伝えて結露防止を行う場合、気液相変化を伴わない液相ブラインを用いることが多い。なぜなら気液相を含むブラインは、液相駆動（ポンプ）の場合は前後の圧力差で容易に気化・液化が発生（キャビテーション）して配管系に衝撃を与え、また気相駆動（コンプレッサー）の場合は従来の冷蔵庫で用いられている圧縮式冷凍機そのものとなり、スターリング冷凍機を用いる意味がないからである。よってスターリング冷凍機では簡易な液相ブライン方式がよく用いられる。
【０００７】
液相ブラインを流す配管は細く、その経路は曲がりくねって長い。必然的に流路抵抗が大きくなり、多量のブラインは流せない。また、ブラインによる防露部への温熱輸送は純粋な顕熱輸送であり、流量が少ないうえ経路が長いという条件が重なると、配管の末端の方ではブラインの温度が下がってしまい、防露部の加熱という目的を果たせなくなる。
【０００８】
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の高温ヘッドの温熱をブラインにより防露部に伝える冷却庫において、広い範囲の防露部に十分な温熱を輸送できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）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低温ヘッドの冷熱を低温側蒸発器を介して冷却空間に伝える低温側循環回路と、前記スターリング冷凍機の高温ヘッドの温熱を放熱する高温側循環回路を備えた冷却庫において、前記高温側循環回路には、前記高温ヘッドの温熱をブラインに伝える熱交換器と、前記冷媒が受け取った温熱を放熱する放熱部の組み合わせを複数組、直列に接続した防露配管が含まれることを特徴としている。
【００１０】
この構成によると、ブラインは防露配管を一巡する間に複数の熱交換器を経由し、その都度高温になる機会を与えられて温度を回復する。従って、熱交換器の配置を適切に設定することにより、防露の目的を達成するのに必要な高温の温熱を広い範囲に伝えることができる。
【００１１】
（２）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記高温ヘッドの温熱を外気に放熱する高温側第１循環回路と、前記高温側第１循環回路から温熱の一部を受け取る高温側第２循環回路とを備え、前記高温側第２循環回路が前記防露配管を構成することを特徴としている。
【００１２】
この構成によると、高温ヘッドの温熱は、一部が高温側第２循環回路に伝えられて防露に役立てられるものの、基本的には高温側第１循環回路より外気に放熱されるものであるから、放熱量を十分に確保し、スターリング冷凍機に所期の冷凍性能を発揮させることができる。
【００１３】
（３）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記防露配管は除霜水蒸発部に対しても放熱を行うことを特徴としている。
【００１４】
この構成によると、除霜水の蒸発を促進することができる。
【００１５】
（４）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記防露部または除霜水蒸発部を通った後の防露配管に、外気への放熱部が設けられることを特徴としている。
【００１６】
この構成によると、高い温度を必要とする防露や除霜水蒸発促進といった役割を果たした後のブラインから、さらに外気に対し廃熱を放熱することにより、廃熱の処理量を多くし、冷却効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、防露配管を一巡する間にブラインに複数の熱交換器を経由させ、その都度ブラインに高温になる機会を与えて温度を回復させるから、防露配管の経路上に存在する防露部や除霜水蒸発部のいずれに対しても十分な温熱を輸送することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明の第１実施形態を図１−３に基づき説明する。図１はスターリング冷却サイクルの斜視図、図２はスターリング冷却サイクルの概略構成図、図３はブラインの流動性に関する実験グラフである。
【００１９】
図１はスターリング冷却サイクル１を冷却庫１０の背面側から見た状況を示す。冷却庫１０の筐体１１（断熱構造を備える）は仮想線で表されているが、その背面上部の機械室１２だけは実線で描かれている。機械室１２の内部にはスターリング冷凍機２０が設置される。スターリング冷凍機２０は逆スターリングサイクルにより温熱と冷熱を発生するものであり、温熱は廃熱として主として高温ヘッド２１（図２参照）から取り出され、冷熱は低温ヘッド２２から取り出される。スターリング冷凍機２０は、高温ヘッド２１が上、低温ヘッド２２が下となるように、軸線を垂直にした状態で配置される。
【００２０】
高温ヘッド２１から温熱を取り出して放熱するのは高温側第１循環回路３０である。高温側第１循環回路３０には二次冷媒として水（水溶液を含む）あるいは炭化水素系のブラインが封入されている。なお「二次冷媒」とは、スターリング冷凍機２０の内部の作動媒体を「一次冷媒」、スターリング冷凍機２０の外部で熱輸送に用いられる作動媒体を「二次冷媒」と定義することによる。
【００２１】
高温側第１循環回路３０は二次冷媒を自然循環させるサーモサイフォン循環回路であり、高温ヘッド２１に対し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で装着された高温側蒸発器３１と、スターリング冷凍機２０の上に配置された高温側凝縮器３２と、高温側蒸発器３１と高温側凝縮器３２とを接続する二次冷媒配管３３を含む。
【００２２】
高温側蒸発器３１は銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属を中空のリング状に成形したものであり、高温ヘッド２１の外周面に嵌合し、高温ヘッド２１に熱接続される。高温側蒸発器３１の側面からは二次冷媒配管３３が導出される。二次冷媒配管３３は、高温側蒸発器３１の側面から導出された後、上に向かって延びる。そしてスターリング冷凍機２０の上方で高温側凝縮器３２に接続される。二次冷媒配管３３は、蒸発して気体となった二次冷媒を高温側凝縮器３２に送る気相配管３３Ｇと、高温側凝縮器３２で凝縮して液体となった二次冷媒を高温側蒸発器３１に戻す液相配管３３Ｌとに分かれている。
【００２３】
高温側凝縮器３２は、銅や銅合金といった熱伝導の良い金属材料からなるパイプ３２ａを折り曲げ、これに、同じく熱伝導の良い金属材料からなる多数の放熱フィン３２ｂを取り付けた構造である。高温側凝縮器３２には冷却用の送風機３４が組み合わせられている。
【００２４】
低温ヘッド２２には低温側循環回路４０が熱接続される。低温側循環回路４０には二次冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）などの自然冷媒を封入する。低温側循環回路４０は、低温ヘッド２２に対し熱接続された状態で装着された低温側凝縮器４１と、冷却庫１０の筐体１１内に設置された低温側蒸発器４２と、低温側凝縮器４１と低温側蒸発器４２とを接続する二次冷媒配管４３を含む。
【００２５】
低温側凝縮器４１は銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属を中空のリング状に成形したものであり、低温ヘッド２２の外周面に嵌合し、低温ヘッド２２に熱接続される。低温側凝縮器４１の側面からは二次冷媒配管４３が導出される。二次冷媒配管４３は、低温側凝縮器４１の側面から導出された後、下に向かって延びる。そして筐体１１の内部に入り、低温側蒸発器４２に接続される。二次冷媒配管４３は、低温側凝縮器４１で凝縮して液体となった二次冷媒を低温側蒸発器４２に流下させる液相配管４３Ｌと、低温側蒸発器４２で蒸発して気体となった二次冷媒を低温側凝縮器４１に戻す気相配管４３Ｇとに分かれている。
【００２６】
低温側蒸発器４２も高温側凝縮器３２と同様、銅や銅合金といった熱伝導の良い金属材料からなるパイプ４２ａを折り曲げたうえで熱伝導の良い金属材料からなる多数の吸熱フィン４２ｂを取り付けた構造である。
【００２７】
高温側第１循環回路３０が高温ヘッド２１から取り出した温熱の一部は防露部の結露防止にも利用される。防露部に温熱を輸送する防露配管となるのが高温側第２循環回路５０である。高温側第２循環回路５０内には、温熱を顕熱で輸送するブラインが非減圧状態で封入されている。ブラインとしては例えば水とエチルアルコールの混合液を用いる。
【００２８】
高温側第２循環回路５０は高温側第１循環回路３０の気相配管３３Ｇに熱交換器を解して熱接続される。気相配管３３Ｇは２本設けられるか、あるいは図２に示すように一部にバイパスが設けられて並列区間が構成されている。このように２本並列に並ぶ気相配管３３Ｇの一方には熱交換器５１ａを取り付け、他方には熱交換器５１ｂを取り付ける。
【００２９】
高温側第２循環回路５０の配管経路を、熱交換器５１ａを出発点として説明する。高温側第２循環経路５０の配管５２（これが防露配管となる）は、熱交換器５１ａを出た後下降し、筐体１１の下部に設定された放熱部５２ａの区間に入る。放熱部５２ａは除霜水を溜める除霜水蒸発部１３に対し放熱を行う。放熱部５２ａの区間を抜けた配管５２は、筐体１１の背面に設定された放熱部５２ｂの区間に入る。放熱部５２ｂは外気に対し放熱を行うものである。放熱部５２ｂの区間を抜けた配管５２は熱交換器５１ｂに接続する。
【００３０】
配管５２内のブラインは、熱交換器５１ａを出た時点では除霜水蒸発促進の目的を達成できる程度に温度が高くなっているが、放熱部５２ａと５２ｂで順次放熱を行った結果、放熱部５２ｂを出た時点では温度がすっかり下がっている。この冷えたブラインが熱交換器５１ｂに送り込まれることにより、ブラインは防露の目的を達成できる温度を回復する。
【００３１】
熱交換器５１ｂを出た配管５２は気液分離器５３を経て筐体１１の背面部を下降し、筐体１１の下部の分岐部５４に至る。配管５２はそこで２系統に分かれる。２系統に分けるのは、流路抵抗を抑えて流量の低下を防ぐためである。
【００３２】
配管５２の一方の系統は筐体１１の右側壁（筐体１１の正面に正対した観察者の右手側を筐体１１の右側、左手側を筐体１１の左側と定義する）の下部に入り、前方に抜けて筐体１１の正面下部に達する。配管５２はそこから右側壁の前縁を上昇し、筐体１１の右半分を上下に区画する水平仕切壁（後述のものも含め、仕切壁は図示しない）に入り込んでその前縁にヘアピン形状を描いた後、右側壁に戻ってその前縁をさらに上昇し、天面壁に入ってその前縁を右から左に横断し、左側壁に入ってその前縁を上から下に縦断し、その後左側壁の下部を背面側へ抜けて合流部５５に至る。こちらの系統の配管５２が筐体１１の右側壁を出てから左側壁に入るまでの、筐体１１の正面を蛇行する区間が防露部に対する放熱部５２ｃとなる。
【００３３】
配管５２のもう一方の系統は分岐部５４から筐体１１の右側壁の下部に入り、前方に抜けて筐体１１の正面下部に達する。配管５２はそこから底面壁に入り、底面壁の前縁を筐体１１の中央まで進む。筐体１１の中央の垂直仕切壁に達した配管５２は、垂直仕切壁の前縁を上端まで一旦上昇し、ヘアピン形状を描いて下降する。配管５２は筐体１１の左半分に設けられた上下２段の水平仕切壁の前縁にそれぞれヘアピン形状を描いた後、垂直仕切壁の下端まで下降し、そこから底面壁の前縁を左側壁まで進み、左側壁の下部を背面側へ抜けて合流部５５に至る。こちらの系統の配管５２が筐体１１の右側壁を出てから左側壁に入るまでの、筐体１１の正面を蛇行する区間が防露部に対する放熱部５２ｄとなる。
【００３４】
合流部５５で２系統が合流し、１本に戻った配管５２は、循環ポンプ５６を経て熱交換器５１ａに帰還する。
【００３５】
配管５２内のブラインは、熱交換器５１ｂを出た時点では防露の目的を達成できる程度に温度が高くなっているが、放熱部５２ｃあるいは放熱部５２ｄで放熱を行った結果、循環ポンプ５６から送り出される時点では温度がすっかり下がっている。この冷えたブラインが熱交換器５１ａに送り込まれることにより、ブラインは除霜水の蒸発を促進できる温度を回復する。
【００３６】
本実施形態では、除霜水蒸発部１３を通った後の配管５２に、特に防露を目的としない外気への放熱部５２ｂが設けられている。このように、高い温度を必要とする防露や除霜水蒸発促進といった役割を果たした後のブラインから、さらに外気に対し廃熱を放熱することにより、廃熱の処理量を多くし、冷却効率を向上させることができる。
【００３７】
結露防止や除霜水の蒸発促進を効果的に行うためには、対象部と外気温との温度差が大きいことが必要である。そのため、同じ熱量の温熱をブラインで輸送する場合、温度の低いブラインを大量に流すよりも、流量は少なくても良いから温度の高いブラインを流した方が効果的である。本実施形態はこの理屈を体現したものであり、直列に配置した熱交換器５１ａ、５１ｂに、放熱により温度が低下したブラインがその都度流されて温度を回復するから、防露の目的を達成するのに必要な高温の温熱を広い範囲に伝えることができる。
【００３８】
直列配置の複数の熱交換器にブラインを通すものとすると、当然のことながら流路抵抗が大きくなり、ブライン循環量は低下する。しかしながらこの点は次のようにメリットとしてとらえることができる。
【００３９】
流体搬送システムの流速と抵抗（圧力損失）の関係は、理想的には下式のようになる。
【数１】
2008075905.tif 000003
【００４０】
上記の式において、ｖは流速、ρは密度、ｇは重力加速度、ξは流路中の障害物による損失係数、ΔＰはポンプ前後の差圧、Δｈはポンプ前後の高低差、ＰPumpはポンプによる加圧能力である。またここでは事象を簡単化するため流路内の流速は一定としている。
【００４１】
Δｈ＝０として各パラメータに実験値をあてはめたところ、図３のグラフが得られた。
グラフの縦軸は流速であり、横軸は総損失係数である。グラフ曲線の左の方は流速ｖの速い大流量域であり、右の方は流速ｖの遅い小流量域である。大流量域では、損失係数すなわち流路抵抗の少しの増加が流速ｖの、言い換えれば流量の大きな減少をもたらす。小流量域では、損失係数の増加は流量にそれほど大きな減少はもたらさない。つまり大流量域を利用するとなると、流路抵抗ができるだけ小さくなるように配管設計を行う必要があり、実現には困難が伴うが、小流量域を利用するかぎり、少々の抵抗増は気にしないで配管設計を行うことができ、蛇行状態の防露配管を容易に実現できる。
【００４２】
また、小流量のシステムでは受熱部の熱交換率が向上する。同じ温度を得るための熱交換部面積が小さくて済むので経路長を短縮でき、流路抵抗の削減やコストダウンに寄与する。
【００４３】
以上、本発明の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。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】冷却サイクルの斜視図
【図２】冷却サイクルの概略構成図
【図３】ブラインの流動性に関する実験グラフ
【符号の説明】
【００４６】
１    スターリング冷却サイクル
１０  冷却庫
１１  筐体
１２  機械室
１３  除霜水蒸発部
２０  スターリング冷凍機
２１  高温ヘッド
２２  低温ヘッド
３０  高温側第１循環回路
３１  高温側蒸発器
３２  高温側凝縮器
４０  低温側循環回路
４１  低温側凝縮器
４２  低温側蒸発器
５０  高温側第２循環回路（防露配管）
５１ａ、５１ｂ  熱交換器
５２  配管
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ  放熱部
５６  循環ポンプ
【図１】
2008075905.tif 000004
【図２】
2008075905.tif 000005
【図３】
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