(57)【要約】【課題】消費電力を低減し、冷却空間の湿度低下を抑えることができその上で動作の信頼性が高く、動作寿命の長いスターリング冷却装置を提供する。【解決手段】スターリング冷凍機１と、スターリング冷凍機１の低温部３と接続する冷却回路１０と、スターリング冷凍機１の高温部２に取り付けられ、高温部２の熱を運搬し放熱するための放熱手段６と、複数の蒸発器８、９と、１又は２以上の弁１２（１６ａ、１６ｂ）を有し、冷却回路に設けられた凝縮器７と複数の蒸発器８、９は蒸発器８、９が並列になるように接続され、弁１２（１６ａ、１６ｂ）の開閉状態に応じてスターリング冷凍機１の低温部３の温度を制御することを特徴とするスターリング冷却装置Ａ。【選択図】　　　図１
2004132653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリング冷凍機の低温部の冷熱を二次冷媒循環回路により温度の異なる冷却室の蒸発器にそれぞれ搬送してなるスターリング冷却装置であって、
前記二次冷媒循環回路の少なくとも蒸発器部分を並列回路にし、該並列回路を開閉制御する弁を設け、該弁の開閉態様に対応させて前記低温部の温度を変えるべくスターリング冷凍機を駆動制御する制御手段を設けたことを特徴とするスターリング冷却装置。
【請求項２】
スターリング冷凍機と、
前記スターリング冷凍機の低温部と接続する冷却回路と、
前記スターリング冷凍機の高温部に取り付けられ、該高温部の熱を運搬し放熱するための放熱手段と、
を有するスターリング冷却装置であって、
前記冷却回路は、前記スターリング冷凍機の低温部に接触配置された１又は複数の凝縮器と、複数の蒸発器と、前記１又は複数の凝縮器と前記複数の蒸発器を該各蒸発器が並列になるように接続する配管と、弁とを有し、前記低温部の冷熱を運搬するための二次冷媒が充填された閉回路であり、
前記複数の蒸発器には異なる冷却温度を有するものが含まれており、
前記弁は前記各蒸発器に選択的に前記二次冷媒を搬送させることができるものであり、
前記弁の開閉状態に応じて前記スターリング冷凍機の低温部の温度を制御することを特徴とするスターリング冷却装置。
【請求項３】
前記冷却回路は複数の独立した閉回路であって、
各冷却回路には前記蒸発器が接続されており、
前記弁は選択された蒸発器に二次冷媒を搬送する請求項２記載のスターリング冷凍装置。
【請求項４】
前記冷却回路は一つの閉回路であって、
前記回路の途中で分岐し、前記複数の蒸発器が並列になるように形成されており、
分岐箇所に前記弁が設けられている請求項２記載のスターリング冷却装置。
【請求項５】
前記二次冷媒の異なる前記冷却回路が含まれている請求項１又は２記載のスターリング冷却装置。
【請求項６】
前記低温部の温度を選択された蒸発器の温度に対応させて設定する請求項２から請求項５いずれかに記載のスターリング冷却装置。
【請求項７】
前記二次冷媒を前記各蒸発器に順に搬送し、必要に応じて二次冷媒が搬送されていないときに該蒸発器を除霜する請求項２から５記載のスターリング冷却装置。
【請求項８】
前記蒸発器には、ファンが取り付けられており、前記蒸発器は二次冷媒が搬送されていない状態のとき、必要に応じてファンを回し続ける請求項２から５記載のスターリング冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は、スターリング冷凍機を用いた冷却装置に関するものである。
【従来の技術】
【０００３】
従来、冷凍機等の冷凍サイクルには、一般に蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。作動ガスとしての冷媒にはＣＦＣ（Ｃｈｌｏｒｏ　Ｆｌｕｏｒｏ　Ｃａｒｂｏｎ）系冷媒及びＨＣＦＣ（Ｈｙｄｒｏ　Ｃｈｌｏｒｏ　Ｆｌｕｏｒｏ　Ｃａｒｂｏｎ）系冷媒が用いられ、その凝縮、蒸発を利用して所望の冷却性能を得ている。ところが、ＣＦＣ系冷媒は既に全廃されており、ＨＣＦＣ系冷媒もオゾン層保護の国際条約により使用が規制されている。また、新たに開発されたＨＦＣ（Ｈｙｄｒｏ　Ｆｌｕｏｒｏ　Ｃａｒｂｏｎ）系の冷媒は、オゾン層を破壊しないが、地球温暖化係数が二酸化炭素の数百から数千倍以上という強力な温暖化物質であり、排出規制の対象となっている。
【０００４】
そこで、ＣＦＣ、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ系冷媒を作動冷媒とする蒸気圧縮式冷凍サイクルの代替として、逆スターリング冷凍サイクルが注目されている。前記逆スターリング冷凍サイクルはその作動ガスとして、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等の地球環境に悪影響を与えないガスを採用している。この逆スターリング冷凍サイクルを用いたスターリング冷凍機は、極低温レベルの寒冷を発生させることができる小型冷凍機の一つとして知られている。
【０００５】
前記スターリング冷凍機は、外部動力によりパワーピストン及びディスプレーサを作動させることによって作動媒体の圧縮・膨張を繰り返し、低温熱源（冷却空間）から吸熱し、高温熱源（一般的には大気中）に放熱を行う密閉サイクルである。前記スターリングサイクルのパワーピストン及びディスプレーサは、両部材を内部に納めるシリンダに該両部材とシリンダの間の隙間に高圧の作動ガスの薄膜を形成して摩擦を低減する、いわゆるガスベアリングで支持されている。
【０００６】
前記スターリング冷凍機は、その内部に設けられた内部熱交換器の形状と大きさにより、ウォームセクションと呼ばれる高温部とコールドヘッドと呼ばれる低温部を備えている。前記低温部は表面積が小さく、効率よく該低温部より冷熱を利用する場所への冷熱を搬送すること、及び、高温部から熱を環境雰囲気中に放出することが重要である。
【０００７】
前記スターリング冷凍機で発生した冷熱を搬送する方法としては、さまざまな方法が提案されている。例えば特開平１１−２２３４０４号公報に開示されているスターリング冷却装置は、前記低温部にエチルアルコールやブライン等の冷熱冷媒を循環させる配管が接続されており、低温部にて前記冷熱冷媒の顕熱を利用して熱交換を行う。その後、前記配管を通じて熱交換を行った冷熱冷媒を冷却空間に搬送し、該冷却空間の間を循環させることで該冷却空間から吸熱を行う。また、特開２０００−１８７４８号公報は、低温部に設けられた膨張シリンダを介してフィン付の熱交換器が冷熱利用空間の内部に接続されており、該フィン付熱交換器にて該冷熱利用空間内部の空気より吸熱し、冷却された空気を該冷熱利用空間内部で循環させて、該空間内部を冷却する冷蔵庫が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２２３４０４号公報
【特許文献２】
特開２０００−１８７４８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スターリング冷凍機の低温部は有効面積が小さいため、直接冷却や、従来より用いられている二次冷媒を介した間接冷却は該スターリング冷凍機の低温部と冷却空間内部との温度差が大きくなり、熱搬送の効率が良くない。
【００１０】
また、スターリング冷凍機は、シリンダとパワーピストン及びディスプレーサの軸受けとして、ガスベアリングを利用しているが、ガスベアリングは冷凍機の動作開始時及び動作停止時には、各部材の間隙に十分なガスの薄膜を形成することができず、ガスベアリングが効果的に作用しない。それゆえ、シリンダとパワーピストン及びディスプレーサが相互干渉し、それによって、機関効率の低下、機械寿命の低下及び破損等の不具合が生じる可能性が高い。
【００１１】
また、従来の冷却装置では、高い温度設定の冷却空間と、低い温度設定の冷却空間が一つの蒸発器を共有する、あるいは、各冷却空間がそれぞれに蒸発器を備えるにしても、冷凍機の運転時にはそれぞれの蒸発器の温度が同じ又は略同じであった。そのため、前記蒸発器の温度を高い温度設定の冷却空間にあわせると、低い温度設定の冷却空間を所定の温度まで冷却することができず、また、該蒸発器の温度を低い設定温度の冷却空間にあわせると、高い設定温度の冷却空間を最適な温度で冷却することができず無駄な電力を使ってしまう。そのうえ、高い設定温度の冷却空間に備えられた蒸発器に着霜することで、該冷却空間内の湿度が低下し、該空間が例えば冷蔵庫である場合、食品の鮮度が低下する等の不具合の要因となる。
【００１２】
そして、従来の方法であれば除霜時にスターリング冷凍機の運転を停止しなくてはならず、頻繁な運転の停止は前述のような不具合の要因となる。
【００１３】
そこで本発明は、消費電力を低減し、冷却空間の湿度低下を抑えることができるスターリング冷却装置を提供することを目的とする。
【００１４】
また本発明は、スターリング冷凍機を停止することなく又は略停止することなく運転し、それだけ、動作の信頼性が高く、動作寿命の長いスターリング冷却装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
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と、前記スターリング冷凍機の低温部と接続する冷却回路と、前記スターリング冷凍機の高温部に取り付けられ、該高温部の熱を運搬し放熱するための放熱手段とを有するスターリング冷却装置であって、前記冷却回路は、前記スターリング冷凍機の低温部に接触配置された１又は複数の凝縮機と、複数の蒸発器と、前記１又は複数の凝縮器と前記複数の蒸発器を該各蒸発器が並列になるように接続する配管と、弁とを有し、前記低温部の冷熱を運搬するための二次冷媒が充填された閉回路であり、前記複数の蒸発器には異なる冷却温度を有するものが含まれており、前記弁は前記各蒸発器に選択的に前記二次冷媒を搬送させることができ、前記弁の開閉状態に応じて前記スターリング冷凍機の低温部の温度を制御することを特徴とするものである。
【００１６】
この構成によると、二次冷媒を用いて冷却温度の異なる蒸発器に、個別に二次冷媒を搬送し熱交換を行うので、スターリング冷凍機を停止させることなく又は略停止させることなく運転することができるので、ガスベアリングの効果を期待しにくい機関始動及び停止の回数を減らすことができる。このことより、スターリング冷凍機の運転の信頼性の低下、機関寿命の低下及び破損を防止することができる。
【００１７】
また、各蒸発器に個別に二次冷媒を搬送させ、該二次冷媒の冷却温度を各蒸発器の冷却温度に対応させることにより、無駄な冷却が行われず、それだけ消費電力を低減することができる。
【００１８】
また本発明は、上記構成の冷却回路において、複数の独立した閉回路を有しているものを挙げることができる。
【００１９】
この構成によると、前記冷却回路が複数の独立した閉回路で構成されているので、冷却室の温度に適した蒸発器温度を得るのに好適な低温部温度、または二次冷媒を選ぶことができる。
【００２０】
また本発明は、上記構成の冷却回路において、該冷却回路が１つの閉回路で構成されているものを例示できる。
【００２１】
この構成によると、スターリング冷凍機の低温部に１つの凝縮器で接続しているので、該低温部と該凝縮器の接触部を広くでき、それだけ効率よく各蒸発器に二次冷媒を送ることができる。
【００２２】
また本発明は、上記構成の冷却回路において、該冷却回路ごとに蒸発器が取り付けられているものを例示できる。
【００２３】
この構成によると、前記冷却回路を前記各蒸発器ごとに独立して設けることで管路の分岐がなくなり、それだけ、蒸発器に効率よく二次冷媒を送ることができる。
【００２４】
その結果、二次冷媒が流体損失をおこすことなく、各蒸発器に搬送されるので、より冷却効率が高くなり、ひいては、スターリング冷却装置の成績係数を良好なものとすることができる。
【００２５】
また本発明は、上記構成において、前記スターリング冷凍機の低温部の温度を各蒸発器の温度に対応させて設定するものを例示できる。
【００２６】
この構成によると、スターリング冷凍機を停止しないように、前記低温部を各冷却室の蒸発器温度に対応させて設定する。つまり、前記低温部の温度を温度の高い冷却室（例えば３℃〜５℃の冷蔵室）の蒸発器温度（例えば０℃〜−５℃）に対応させて高い温度（例えば−５℃〜−１０℃）に設定すると、高い温度に設定しないもの（例えば−２５℃〜−３０℃）に比べて冷却運転時間が長くなる。これにより、前記スターリング冷凍機は停止しない又は略停止しないで運転し続けるので、該スターリング冷凍機の起動時、停止時のガスベアリング不良による不具合の発生を低減できる。
【００２７】
本発明は上記構成において、前記冷却回路は、該各蒸発器に順に二次冷媒を搬送し、二次冷媒が搬送されてないときに必要に応じて除霜するものを例示できる。
【００２８】
この構成によると、任意の蒸発器の除霜を行っている間に、それ以外の蒸発器に二次冷媒を搬送するので、スターリング冷凍機を停止しない又は略停止しないで運転することができる。それによって、スターリング冷凍機の起動時や停止時のガスベアリング不良による該冷凍機の能力低下、破損等の不具合を未然に防ぐことができる。
【００２９】
また本発明は、上記実施例において、前記蒸発器には、必要に応じてファンが取り付けられており、該ファンを必要に応じて回し続けるものを例示できる。
【００３０】
この構成によると、前記ファンが回っていることによって、該ファンに対応する前記蒸発器に二次冷媒が流れているときは、被冷却部に冷却された空気を送ることができ、該二次冷媒が流れていないときは、空気を蒸発器に送ることで、該蒸発器の除霜をすることができる。
【００３１】
上述の冷却回路は、物質の状態変化を用いて管内を対流させることができる、ループ型サーモサイホンを例示することができる。また、ループ型サーモサイホンに限定されるものではなく、前記冷却側凝縮器と前記蒸発器の間を二次冷媒を流動させることができる構成のものを広く採用することができる。
【００３２】
上述の二次冷媒として、例えば、二酸化炭素を挙げることができる。前記二次冷媒としては、二酸化炭素以外にも環境攻撃性が低く、十分に冷熱を運搬することができるものを広く採用することができる。
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００３３】
（第１実施例）
図１は本発明に係るスターリング冷却装置の一例を示す概略図である。
【００３４】
図１に示す冷却装置Ａは、高温部２と低温部３を有するスターリング冷凍機１と、放熱手段として放熱回路６と、冷却回路１０とを有している。
【００３５】
図１に示すように放熱回路６は、配管６１で接続した放熱側蒸発器４と放熱側凝縮器５を有している。配管６１内部には冷媒（ここでは水）を充填してある。放熱側蒸発器４と放熱側凝縮器５及び関連配管がループ型サーモサイホンを構成している。
【００３６】
放熱側蒸発器４は、スターリング冷凍機１の高温部２と接触して配置されており、高温部２で発生した熱によって配管６１内部に充填されている冷媒に熱を伝達する。そして、熱を吸収した冷媒を放熱側凝縮器５へと搬送し、凝縮器５によって冷媒の熱を大気に放熱する。その後、放熱し、冷却された冷媒は循環して蒸発器４に搬送される。
【００３７】
冷却回路１０は、配管１０１で接続した冷却側凝縮器７と、高温設定蒸発器として高温側蒸発器９と、低温設定蒸発器として低温側蒸発器８と、３方向弁１２を有している。
【００３８】
冷却回路１０は、配管１０１内部を二次冷媒が一方向に流動するものであり、配管１０１の冷却側凝縮器７の下流側に３方向弁１２（ここでは電磁弁）が備えられている。冷却側凝縮器７から一本でのびる配管１０１は３方向弁によって、二本に分岐される。分岐された配管のうち一方の配管には高温側蒸発器９が接続されており、他方の配管には低温側蒸発器８が接続されている。配管１０１は両蒸発器８、９の下流側で合流しており、一本となって凝縮器７に接続している。３方向弁１２は４モードの流路選択パターンを持っている。低温側蒸発器８には低温側ファン１３、高温側蒸発器９には高温側ファン１４がそれぞれ備えられている。
【００３９】
冷却回路１０はそれに限定されるものではないが、ここでは、冷却側凝縮器７を高温側蒸発器９及び低温側蒸発器８より高い位置に配置しており、ループ型サーモサイホンを形成する構成となっている。
【００４０】
冷却側凝縮器７は、スターリング冷凍機１の低温部３に接触して二次冷媒を冷却する。
【００４１】
配管１０１内部は、二次冷媒（それとは限定されないが、ここでは二酸化炭素）が充填されている。二次冷媒の充填量は、凝縮器７、蒸発器８、９、３方向弁１２が支障なく正常に動作する量であり、回路１０全体の容積等にも基づいた量である。
【００４２】
スターリング冷凍機１は、図示を省略したリニアモータによって駆動するフリーピストン型スターリング冷凍機であるが、これに限定されるものではない。また、スターリング冷凍機１は、内部に、それには限定されないがここでは、作動ガスとしてヘリウムガスを用いている。
【００４３】
次に図面を用いて図１に示すスターリング冷凍装置の動作を説明する。
図２は低温側蒸発器をもちいて冷却するスターリング冷凍装置の概略配置図である。
【００４４】
スターリング冷凍機１を運転することで、高温部２の温度が高くなり、低温部の温度が低くなる。放熱回路６は、高温部２に取り付けた放熱回路６の放熱側蒸発器４で冷媒として充填した水が加熱されて蒸発し、配管６１を通じて放熱側凝縮器５に流入する。放熱側凝縮器５で飽和状態の水蒸気が外部の大気によって冷却され、放熱・凝縮し、略液体の状態で配管を伝って放熱側蒸発器４に戻る。これを繰り返すことによって、スターリング冷凍機１の高温部２で発生する熱を取り除くことができる。放熱側凝縮器５での外部大気との熱交換において、空気は自然対流及び強制対流どちらで凝縮器５の外部に接触させてもよい。
【００４５】
そして、冷却回路１０は図２に示す３方向弁１２の高温側蒸発器９への流路を閉じ、低温側蒸発器８への流路を開いた状態、つまり、低温側の蒸発器を用いて冷却を行う場合の回路の状態である。この状態において、冷却側凝縮器７と低温側蒸発器８及び関連配管がループ型サーモサイホンを構成しており、低温側蒸発器８の低温側被冷却部（例えば後述する冷凍室２３）を冷却する。
【００４６】
スターリング冷凍機１の低温部３に接触して取り付けられている冷却側凝縮器７において、二次冷媒である二酸化炭素が冷却されて凝縮し、液体又は略液体の状態になる。液体又は略液体状態の二酸化炭素は低温側蒸発器８に流入する。液体又は略液体状態の二酸化炭素は、低温側蒸発器８において低温側被冷却部によって過熱され、蒸発及び蒸発時の気化熱で吸熱する。低温側蒸発器８から流出した二酸化炭素は圧力差によって冷却側凝縮器７に送られる。この圧力差は、冷却側凝縮器７と低温側蒸発器８との高度差及び二酸化炭素の液相と気相の各状態での比重差によるものである。つまり、冷却側凝縮器７出口から低温側蒸発器８入り口までの二酸化炭素は液体又は略液体であり、蒸発器８から出た二酸化炭素は気体又は略気体であるため、二酸化炭素が重力によって自然に図２に示す矢印α方向に循環する。これを繰り返すことで、スターリング冷凍機１で発生した冷熱を、低温側の低温側被冷却部に運ぶことができる。
【００４７】
低温側蒸発器８で低温側被冷却部を冷却する際に、制御部Ｃｏｎｔによってスターリング冷凍機１の入力を制御し、スターリング冷凍機１の低温部３の温度を低温側蒸発器８の設定温度に対して最適なものにする。
【００４８】
一方、高温側蒸発器９には、二次冷媒である二酸化差炭素の流れが遮断されているため、高温側蒸発器９に配置した冷却ファン１４を回し続けることにより、高温側蒸発器９の高温側被冷却部（例えば後述の冷蔵室２２）の温度が上昇し、高温側被冷却部の着霜が部分的又は全部溶け、高温側被冷却部を加湿することになる。また、高温側被冷却部には、除霜ヒータを装着してもよい。二次冷媒の高温側蒸発器９への流れが遮断されているので除霜ヒータを運転する場合も、スターリング冷凍機１を停止しなくてもよい。
【００４９】
図３は高温側蒸発器を用いて冷却するスターリング冷凍装置の概略配置図である。
【００５０】
冷却回路１０は、３方向弁１２を低温側蒸発器８への流路を閉じ、高温側蒸発器９への流路を開いた状態、すなわち、高温側蒸発器９を用いて冷却を行う状態である。この状態において、冷却側凝縮器７と高温側蒸発器９及び関連配管がループ型サーモサイホンを構成しており、高温側蒸発器９の高温側被冷却部を冷却する。
【００５１】
図２に示す状態と同様に、二次冷媒である二酸化炭素をもちいてスターリング冷凍機１の冷熱を運搬し高温側被冷却部を冷却する。
【００５２】
高温側蒸発器９で高温側被冷却部を冷却する場合でも、スターリング冷凍機１の入力を、制御部Ｃｏｎｔを用いてスターリング冷凍機１の低温部３の温度を、高温側蒸発器９の冷却温度に対して最適なものになるように制御する。
【００５３】
また、低温側蒸発器８には、二次冷媒である二酸化差炭素の流れが遮断されているため、低温側蒸発器８に配置した冷却ファン１３を回し続けることにより、低温側蒸発器８の低温側被冷却部の温度が上昇し、低温側被冷却部の着霜が部分的又は全部溶け、低温側被冷却部を加湿することになる。また、低温側被冷却部には、除霜ヒータを装着してもよい。二次冷媒の低温側蒸発器８への流れが遮断されているので除霜ヒータを運転する場合も、スターリング冷凍機１を停止しなくてもよい。
【００５４】
図４は低温側蒸発器８、及び高温側蒸発器９両方を用いて冷却を行うスターリング冷却装置の概略配置図である。
【００５５】
冷却回路１０は、３方向弁１２を低温側蒸発器８及び高温側蒸発器９両方への流路を開いた状態、すなわち、低温側蒸発器８、高温側蒸発器９いずれも用いて冷却を行う状態である。この状態において、冷却側凝縮器７と低温側蒸発器８は並列に配列されており、両蒸発器８、９と高温側蒸発器９及び関連配管がループ型サーモサイホンを構成しており、高温側蒸発器９の高温側被冷却部を冷却する。この状態は、スターリング冷凍機１の起動時等、低温側被冷却部と高温側被冷却部の同時冷却が必要な場合に、用いられる。
【００５６】
図５は、低温側蒸発器及び高温側蒸発器どちらも用いない状態のスターリング冷凍装置の概略配置図である。
【００５７】
冷却回路１０は、３方向弁１２を全閉にした状態、すなわち、低温側蒸発器８及び高温側蒸発器９に二次冷媒である二酸化炭素が流入しない状態である。このとき、低温側被冷却部及び高温側被冷却部を冷却しないので、スターリング冷凍機１の動作の有無にかかわらず、低温側蒸発器８、高温側蒸発器９を同時に除霜することが可能である。スターリング冷凍機１を運転したまま、低温側蒸発器８と高温側蒸発器９の除霜をする場合、スターリング冷凍機１への入力を絞る必要がある。
【００５８】
本実施例において、放熱手段として放熱回路を例示したが、それに限定されるものではなく、スターリン冷凍機の高温部に発生する熱を放熱できるものを広く採用できる。
【００５９】
本実施例において、冷却回路には、ループ型サーモサイホンを形成するものを例示しているが、それに限定されるものではなく、二次冷媒をポンプ等を用いて強制的に循環させるものであってもよい。
【００６０】
また本実施例は、低温側蒸発器８、高温側蒸発器９の２つの蒸発器を並列に配置したものを例示したが、それに限られるものではなく、少なくとも３種以上の異なった設定温度の複数の蒸発器を並列に配置したものも考えられる。そのときも各分岐部分に３方向弁を設けてやることで、任意に選択された１又は２以上の蒸発器に凝縮器７より出た二次冷媒を搬送することが可能である。
【００６１】
図６に図１に示すスターリング冷却装置を用いた冷蔵庫の１例の側断面図を示す。
【００６２】
図６に示すスターリング冷蔵庫２０は、冷蔵庫本体２１にスターリング冷却装置Ａが設置されている。冷蔵庫２０は、冷凍室２３と冷蔵室２２を有している。
【００６３】
スターリング冷凍機１は、冷蔵庫本体２１の背面上部２１１に設置されており、放熱回路６のうち放熱側凝縮器５は天面２４に、冷却回路１０の低温側蒸発器８、高温側蒸発器９をスターリング冷凍機１より低い位置の、庫内冷気ダクト２５、２６内にそれぞれ設置している。放熱回路６の高温側蒸発器９は内部フィン付きの環状箱で、その伝熱面が円柱面を有するスターリング冷凍機の高温部２に密着している。冷却側凝縮器７はらせん状の銅又はアルミチューブで、スターリング冷凍機の低温部３と密着しており、封入した二次冷媒（ここでは二酸化炭素）がその管内を流れる。
【００６４】
放熱側蒸発器４、低温側蒸発器８と高温側蒸発器９はフィンチューブ型の熱交換器とし、管内が冷媒で、管外が空気である。
【００６５】
冷蔵庫本体２１は、板状の断熱材に仕切られており、上の方が冷蔵室２２（野菜室を含む）、下の方が冷凍室２３である。低温側蒸発器８は、冷凍室２３の冷却に使われる。高温側蒸発器９は、冷蔵室２２に使われる。
また、冷凍室２３を冷却しているときに、冷蔵室２２を加湿することができるので、冷蔵室２２の湿度を高めに維持することができる。
【００６６】
本実施例に用いているリニアモータで駆動するスターリング冷凍機は、作動周波数が固定であるので、スターリング冷凍機の出力（低温部の温度）の制御はモータ入力電圧を制御することで行われる。高温部及び低温部がある温度のとき、モータ入力電圧を上げると、作動電流が上昇し、スターリング冷凍機のパワーピストンのストロークが大きくなるので、ディスプレーサのストロークも大きくなる。ディスプレーサのストロークが大きくなることでスターリング冷凍機の高温部の温度が上昇し、低温部の温度が下がる。すなわち、スターリング冷凍機の出力が上がる。逆に、モータ入力電圧を下げると、スターリング冷凍機の出力が下がり、低温部の温度が上昇する。
【００６７】
スターリング冷凍機１が運転を開始すると、冷凍機１の高温部２の温度が上がり、放熱側蒸発器４で熱搬送媒体である水が加熱されて蒸発する。これと同時に、ファン１７の回転により庫外の空気が放熱側凝縮器５の管外を流れ、放熱側蒸発器４からの蒸気がこの放熱側凝縮器５で冷やされて凝縮する。このように、水の自然循環が行われ、スターリング冷凍機１の熱が庫外の空気と熱交換を行う。
【００６８】
一方、スターリング冷凍機１の運転により低温部３の温度が下がり、冷却側凝縮器７で二次冷媒の二酸化炭素が冷却されて凝縮する。３方向電磁弁１２の切り替えによって、次のようにそれぞれ異なる冷却方式で、冷凍室２３、冷凍室２３の冷却を行う。
【００６９】
３方向弁１２を図８（Ｃ）の位置に切り替えて、二次冷媒の流路を冷却側凝縮器側の配管１０１と低温側蒸発器側の配管１０８及び高温側蒸発器側の配管１０９が接続するようにする。それにより、冷却側凝縮器７で凝縮され液相又は略液相になっている二次冷媒である二酸化炭素が配管１０１を通じ、低温側蒸発器側の配管１０８及び高温側蒸発器側の配管１０９をとおり低温側蒸発器８及び高温側蒸発器９に搬送される。そして、低温側蒸発器８及び高温側蒸発器９によって二酸化炭素は吸熱されて蒸発する。それと同時に、低温側冷却ファン１３で冷凍室２３内の空気を対流させることで、蒸発器８の管外フィン（図示を省略）を通った空気は冷却される。また、冷蔵室２２同様に高温側冷却ファン１４を用いて冷蔵室２２内の空気を対流させて、冷蔵室内部を冷却する。この状態は冷蔵庫２０起動時等に使う。
【００７０】
３方向弁１２を図８（Ａ）の位置に切り替えて、二次冷媒の冷却側凝縮器側の配管１０７が低温側蒸発器側の配管１０８に接続するようにする。これにより、冷却された二次冷媒は低温側蒸発器８のみに搬送され、冷凍室２３のみ冷却される。一方冷蔵室２２は、低温側冷却ファン１３を回して冷蔵室内部の空気を対流することで、冷蔵室２２内部の温度を上昇させ、除霜し、それにより冷蔵室２２内部を加湿することができる。
【００７１】
３方向弁１２を図８（Ｂ）の位置に切り替えて、二次冷媒の冷却側凝縮器側の配管１０７が高温側蒸発器側の配管１０９に接続するようにする。これにより、冷却された二次冷媒は高温側蒸発器９のみに搬送され、冷蔵室２２のみ冷却する。このとき、スターリング冷凍機１の低温部３は冷凍室２３を冷却したときよりも高い温度になっている。
【００７２】
３方向弁１２を図８（Ｄ）に示す位置に切り替えて、二次冷媒の流路を全閉にする。それによって冷却された冷媒は両蒸発器には流動しないので、冷凍室２３、冷蔵室２２それぞれ温度が上昇し除霜が可能である。
【００７３】
冷蔵庫２０が通常運転に入ると、冷凍室２３と冷蔵室２２を交互冷却する。低温側蒸発器８で冷凍室２３を冷却している間、スターリング冷凍機１を制御して、低温部３の出力（低温部の温度）を冷凍室２３の冷却温度に適した温度（それには限定されないが、通常は冷凍室の設定温度よりも数度以上低い）にする。同時に、高温側蒸発器９への二次冷媒の流れを遮断しており、高温側ファン１４を回し続けることで、高温側蒸発器９の着霜が全部又は部分的に溶けて冷蔵室２２を加湿する。
【００７４】
冷蔵室２２を目標温度まで冷却できると、冷蔵室２２の冷却状態に入る。このとき、スターリング冷凍機１を制御して、低温部３の出力（低温部の温度）を冷蔵室２２の冷却温度に適した温度（それには限定されないが、通常は冷蔵室の設定温度よりも数度以上低い）にする。この間、低温側冷却ファン１３は運転を停止する。
【００７５】
上述の運転方法を用いれば、冷凍室２３と冷蔵室２２の設定温度に合わせて、スターリング冷凍機１を最適に運転させることができ、それだけスターリング冷凍装置のシステムＣＯＰ（成績係数）を高めることができる。
【００７６】
（第２実施例）
図７に本発明に係るスターリング冷凍装置の他の例の概略配置図を示す。
【００７７】
図７に示すスターリング冷凍装置Ｂは、放熱回路として第１実施例の放熱回路６と同一の構成のものを備えている。実質上同一の部分には同一の符号が付してある。
【００７８】
スターリング冷却装置Ｂは、スターリング冷凍機１の低温部３に独立した２つの冷却回路を有している。第１冷却回路１０ａは第１冷却側凝縮器７ａと、低温側蒸発器８と、開閉弁１８ａを有している。第２冷却回路１０ｂは第２冷却側凝縮器７ｂと、高温側蒸発器９と、開閉弁１８ｂを有している。第１冷却側凝縮器７ａ及び第２冷却側凝縮器７ｂはいずれもスターリング冷凍機１の低温部３に接触配置されている。いずれの冷却回路も二次冷媒としてそれには限定されないが、ここでは二酸化炭素を用いている。また、第１冷却回路１０ａと第２冷却回路１０ｂに二次冷媒として異なる物質を充填してもよい。
【００７９】
低温側蒸発器８及び高温側蒸発器９はいずれも第１及び第２冷却側凝縮器７ａ、７ｂよりも低い位置に配置されている。第１冷却回路１０ａは、第１冷却側凝縮器７ａ及び低温側蒸発器８と、第２冷却回路１０ｂは、第２冷却側凝縮器７ｂ及び高温側蒸発器９とそれぞれ、上述と同様のループ型サーモサイホンを形成している。
【００８０】
スターリング冷却装置Ｂを起動する際に、開閉弁１８ａ、１８ｂを開いておいて、スターリング冷凍機１を作動させ、スターリング冷凍機１の低温部３が冷えた後、冷却ファン１３、１４を作動させて蒸発器８及び蒸発器９で冷やされた空気を被冷却部を対流させて、被冷却空間を冷却する。
【００８１】
通常運転に入ると、第１冷却回路１０ａと第２冷却回路１０ｂを交互に用いて冷却を行う。低温側蒸発器８で低温側被冷却部を冷却している間は、スターリング冷凍機１の入力を制御し、スターリング冷凍機１の低温部３の温度を低温側蒸発器８の冷却温度に対して最適なものにする。それと同時に開閉弁１８ｂを閉じて第２冷却回路１０ｂ内の高温側蒸発器９への二次冷媒である二酸化炭素の流れを遮断し、高温側冷却ファン１４を回し続ける。こうすることにより、高温側蒸発器９の温度が上昇し、蒸発器９の着霜が全部又は部分的に溶け、高温側被冷却部を加湿する。
【００８２】
また、低温側蒸発器８を用いて、冷却を行っている間は、高温側蒸発器９の除霜が必要であれば、開閉弁１８ｂを閉じた状態のときに、除霜ヒータで除霜を行う。開閉弁１８ｂを閉じているのでヒータの熱は低温部３には届かない。
【００８３】
一方、高温側蒸発器９を用いて被冷却部を冷却する場合は、第２冷却回路１０ｂ側の開閉弁１８ｂを開き、第１冷却回路１０ａ側の開閉弁１８ａを閉じた状態で、スターリング冷凍機１の入力を制御し、スターリング冷凍機１の低温部３の温度を高温側蒸発器９の冷却温度に対して最適なものになるようする。それと同時に開閉弁１８ａを閉じて第１冷却回路１０ａ内の低温側蒸発器８への二次冷媒である二酸化炭素の流れを遮断し、低温側冷却ファン１３を止める。
【００８４】
必要であれば、低温側蒸発器８の着霜を除霜ヒータで溶かしてもよい。このとき、開閉弁１８ａが閉じられているので、ヒータの熱は低温部３には伝わらない。
【００８５】
本実施例では、低温側蒸発器８と高温側蒸発器９の２つの蒸発器を独立の冷却回路に接続されたものを例示したが、これに限られるものではなく、異なる温度設定のさらに多くの蒸発器をすべて異なる冷却回路で接続したものであってもよい。また、低温部の大きさには限りがあるので、１つの冷却回路について、１又は２以上の蒸発器をすべて並列になるように接続するものも例示できる。また、任意に選択された蒸発器に二次冷媒を搬送することができる回路を広く採用することができる。
【００８６】
また、複数の冷却回路は、該冷却回路内で、蒸発器を複数有し、並列に接続されていてもよい。この場合も、弁の開閉によって任意に選択された蒸発器に凝縮器で冷却された二次冷媒を搬送することができる。
【００８７】
これによって、二次冷媒として蒸発器の冷却温度によって最適なものを選択しつつ、スターリング冷凍機の低温部の面積を有効に利用することができる。
【００８８】
異なる複数の冷却回路を有する場合、蒸発器の冷却温度によって二次冷媒をそれぞれ最適なものを選択してもよく、その場合、より冷却効率の高い冷却装置とすることができる。
【００８９】
【発明の効果】
本発明によると、各蒸発器の冷却温度に合わせて、該蒸発器に流れる二次冷媒の温度をそれぞれ個別に制御するので、二次冷媒を最適な温度で各蒸発器に送ることができ、成績係数が高く、電力消費が低いスターリング冷却装置を提供することができる。
【００９０】
また本発明によると、各種温度設定の蒸発器に順に二次冷媒を搬送し、該蒸発器に隣接した被冷却部を順に冷却することで、ある被冷却部を冷却しながら、別の蒸発器を除霜でき、それだけ、動作効率の高いスターリング冷凍装置を提供することができる。
【００９１】
また本発明によると、上述のとおり、１又は２以上の蒸発器を冷却しながら、冷却していないほかの蒸発器を除霜することができ、それゆえスターリング冷凍機を停止又は略停止することなく運転することができるので、始動時及び停止時におけるガスベアリング効果不十分から生じる摺動摩擦による、機関効率の低下及び破損等の不具合を未然に防ぐことができる。また、スターリング冷凍機を停止又は略停止せずに運転するので、除霜のときの被冷却部の温度上昇を抑えることができる。
【００９２】
さらに本発明によると、蒸発器の冷却温度によってスターリング冷凍機の低温部の温度を制御するので、該スターリング冷凍機が低温領域において、従来の蒸気圧縮式冷凍機よりも優れた冷却特性をもつ特徴を利用して、より少ない消費電力で−３０℃以下まで冷却可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスターリング冷却装置の１例の概略配置図である。
【図２】図１に示すスターリング冷却装置の低温側蒸発器側へ二次冷媒を搬送することができる状態の概略配置図である。
【図３】図１に示すスターリング冷却装置の高温側蒸発器側へ似事例場を搬送することができる状態の概略配置図である。
【図４】図１に示すスターリング冷却装置の高温側蒸発器及び低温側蒸発器両方に二次冷媒を搬送することができる状態の概略配置図である。
【図５】図１に示すスターリング冷却装置の高温側蒸発器及び低温側蒸発器に二次冷媒を送ることができない状態の概略配置図である。
【図６】図１に示すスターリング冷却装置を用いた冷蔵庫の側断面図である。
【図７】本発明に係るスターリング冷却装置の他の例の概略配置図である。
【図８】図（Ａ）〜図（Ｄ）は３方向電磁弁の流路切り替え状態を示す概略図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ　スターリング冷却装置
１　スターリング冷凍機
２　高温部
３　低温部
４　放熱側蒸発器
５　放熱側凝縮器
６　放熱回路
６１　配管
７　冷却側凝縮器
８　低温側蒸発器
９　高温側蒸発器
１０　冷却回路
１２　３方向電磁弁
１３　低温側ファン
１４　高温側ファン
１６ａ、１６ｂ　電磁開閉弁
１８　ドレン水排出口
２０　冷蔵庫
２１　冷蔵庫本体
２２　冷蔵室
２３　冷凍室
２４　天面
２５　冷蔵室冷気ダクト
２６　冷凍室冷気ダクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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