(57)【要約】【課題】本発明は、不必要な電力を消耗することなく、適切に結露を防止することが可能な冷却庫を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、スターリング冷凍エンジン３０で庫内冷却を行う冷却庫において、スターリング冷凍エンジン３０に形成される高温部の熱を庫外に放出する第１高温側冷媒循環回路５０と、前記高温部の熱を庫外壁面に与える第２高温側冷媒循環回路６０と、を有して成り、冷却庫近傍の雰囲気に基づいて、第１高温側冷媒循環回路５０からの放熱量や第２高温側冷媒循環回路６０の冷媒循環量を制御する構成としている。【選択図】　　　図２
2004101050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリング冷凍エンジンで庫内冷却を行う冷却庫において、
前記スターリング冷凍エンジンに形成される高温部の熱を庫外に放出する第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱を庫外壁面に与える第２高温側冷媒循環回路と、を有することを特徴とする冷却庫。
【請求項２】
スターリング冷凍エンジンで庫内冷却を行う冷却庫において、
前記スターリング冷凍エンジンに形成される高温部の熱を庫外に放出する第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱を庫外壁面に与える第２高温側冷媒循環回路と、冷却庫近傍の雰囲気を検出する雰囲気検出部と、該雰囲気検出部の検出結果に基づいて第２高温側冷媒循環回路の冷媒循環量を制御する制御部と、を有することを特徴とする冷却庫。
【請求項３】
スターリング冷凍エンジンで庫内冷却を行う冷却庫において、
前記スターリング冷凍エンジンに形成される高温部の熱を庫外に放出する第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱を庫外壁面に与える第２高温側冷媒循環回路と、冷却庫近傍の雰囲気を検出する雰囲気検出部と、該雰囲気検出部の検出結果に基づいて第１高温側冷媒循環回路の放熱量を制御する制御部と、を有することを特徴とする冷却庫。
【請求項４】
スターリング冷凍エンジンで庫内冷却を行う冷却庫において、
前記スターリング冷凍エンジンに形成される高温部の熱を庫外に放出する第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱を庫外壁面に与える第２高温側冷媒循環回路と、庫外壁面を加熱する電熱ヒータと、冷却庫近傍の雰囲気を検出する雰囲気検出部と、該雰囲気検出部の検出結果に基づいて前記電熱ヒータへの通電量を制御する制御部と、を有することを特徴とする冷却庫。
【請求項５】
前記雰囲気検出部は、冷却庫の壁面温度を計測する第１温度センサと、冷却庫の周囲温度を計測する第２温度センサと、冷却庫の周囲湿度を計測する湿度センサと、を有して成ることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の冷却庫。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍エンジンで庫内の冷却を行う冷却庫に関する。なお、冷却庫とは、物品（食品など）を保存するための冷蔵庫、冷凍庫、冷凍冷蔵庫だけでなく、庫内と称される密閉空間の温度を下げる装置全般を指す。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用冷蔵庫等に代表される一般的な冷却庫には、従来から蒸気圧縮式冷凍エンジンが広く採用されている。この蒸気圧縮式冷凍エンジンは、フロンガスの凝縮・蒸発を利用して低温を得るものである。確かに、フロンは燃焼性や爆発性がなく腐食性も低いので、冷媒として非常に利用しやすい物質である。しかし、フロンは化学的安定性が高く、大気中へ放出されると成層圏に達してオゾン層を破壊するといった指摘があるため、近年では、特定フロンや代替フロンの使用並びに生産が世界的に規制され始めている。
【０００３】
そこで、フロンを冷媒に用いた蒸気圧縮式冷凍エンジンに代わる冷却技術として、近年ではスターリング冷凍エンジンが注目を集めている。スターリング冷凍エンジンは、モータ等の外部動力によってピストンとディスプレーサを任意の位相差で往復動作させ、作動ガスの圧縮・膨張を繰り返してコールドヘッド（低温部）とウォームヘッド（高温部）を形成し、該コールドヘッドで低温を得るものである。なお、スターリング冷凍エンジンでは、作動ガスとしてヘリウムガスや水素ガス、或いは窒素ガスといった地球環境に悪影響を与えないガスを用いることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６３−１６３７５５号公報
【特許文献２】
特開平１１−１６６７８４号公報
【特許文献３】
特開平１１−２１１３２５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
確かに、上記のスターリング冷凍エンジンを搭載した冷却庫であれば、コールドヘッドで庫内から熱を奪い、その熱を廃熱としてウォームヘッドから庫外へ放出することで、フロンを用いることなく庫内冷却を行うことが可能である。
【０００６】
しかしながら、上記構成から成る冷却庫は、従来の一般的な冷却庫と同様、冷却庫の周囲環境が高湿度のとき、庫内冷気によって周囲環境よりも低温となる部位（扉のパッキング周辺や庫外壁面など）に結露が生じるという問題を有していた。なお、上記部位を電熱ヒータで加熱して結露を防止する冷却庫も従来提案されてはいるが、このような構成では消費電力が大きくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑み、不必要な電力を消耗することなく、適切に結露を防止することが可能な冷却庫を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る冷却庫は、スターリング冷凍エンジンで庫内冷却を行う冷却庫において、前記スターリング冷凍エンジンに形成される高温部の熱を庫外に放出する第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱を庫外壁面に与える第２高温側冷媒循環回路と、を有する構成としている。このような構成とすることにより、不必要な電力を消耗することなく、結露が生じやすい庫外壁面の温度を露点温度以上に保ち、結露を防止することができる。
【０００９】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る冷却庫は、スターリング冷凍エンジンで庫内冷却を行う冷却庫において、前記スターリング冷凍エンジンに形成される高温部の熱を庫外に放出する第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱を庫外壁面に与える第２高温側冷媒循環回路と、冷却庫近傍の雰囲気を検出する雰囲気検出部と、該雰囲気検出部の検出結果に基づいて第２高温側冷媒循環回路の冷媒循環量を制御する制御部と、を有する構成にするとよい。このような構成とすることにより、結露の可能性が低い場合には、庫外壁面が不要に加熱されないので、庫内への熱負荷を抑えて消費電力を減らすことができる。
【００１０】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る冷却庫は、スターリング冷凍エンジンで庫内冷却を行う冷却庫において、前記スターリング冷凍エンジンに形成される高温部の熱を庫外に放出する第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱を庫外壁面に与える第２高温側冷媒循環回路と、冷却庫近傍の雰囲気を検出する雰囲気検出部と、該雰囲気検出部の検出結果に基づいて第１高温側冷媒循環回路の放熱量を制御する制御部と、を有する構成にするとよい。このような構成とすることにより、たとえスターリング冷凍エンジンへの負荷が少ない場合であっても、第２高温側冷媒循環回路の冷媒温度は所定値以上に維持されるので、常に結露防止機能を発揮させることが可能となる。
【００１１】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る冷却庫は、スターリング冷凍エンジンで庫内冷却を行う冷却庫において、前記スターリング冷凍エンジンに形成される高温部の熱を庫外に放出する第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱を庫外壁面に与える第２高温側冷媒循環回路と、庫外壁面を加熱する電熱ヒータと、冷却庫近傍の雰囲気を検出する雰囲気検出部と、該雰囲気検出部の検出結果に基づいて前記電熱ヒータへの通電量を制御する制御部と、を有する構成にするとよい。このような構成とすることにより、結露の可能性が低い場合には、庫外壁面が不要に加熱されないので、庫内への熱負荷を抑えて消費電力を減らすことができる。
【００１２】
なお、上記構成から成る冷却庫において、前記雰囲気検出部は、冷却庫の壁面温度を計測する第１温度センサと、冷却庫の周囲温度を計測する第２温度センサと、冷却庫の周囲湿度を計測する湿度センサと、を有する構成にするとよい。このような構成とすることにより、周囲温度と周囲湿度から周囲環境の露点温度を求め、該露点温度と壁面温度を直接比較して結露の可能性を判断することができるので、より信頼性の高い結露防止機能を実現することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る冷却庫の一実施形態を示す概略断面図であり、図２は本実施形態における冷却庫の配管構成図である。冷却庫１は食品保存用であり、断熱構造のハウジング１０を備えて成る。ハウジング１０の内部には、上下３段に仕切られた冷却室１１、１２、１３が設けられている。冷却室１１、１２、１３は各々ハウジング１０の正面側（図１では左側）に開口部を有し、該開口部は開閉自在な断熱扉１４、１５、１６によって閉ざされている。断熱扉１４、１５、１６の裏面には、冷却室１１、１２、１３の開口部をそれぞれ囲む形のパッキング１７が装着されている。冷却室１１、１２、１３の内部には、収納する食品の種類に適合した棚１８が適宜設置されている。
【００１４】
ハウジング１０の上面から背面、さらに下面にかけては、スターリング冷凍エンジン３０を中心要素とする冷却システム及び放熱システムが配設されている。なお、ハウジング１０の上背面の一角には機械室１９が設けられており、スターリング冷凍エンジン３０は該機械室１９に設置されている。
【００１５】
スターリング冷凍エンジン３０の一部は駆動時にコールドヘッドを形成する。該コールドヘッドには、低温側凝縮器４１が取り付けられている。また、冷却室１３の奥には、低温側蒸発器４２が設置されている。低温側凝縮器４１と低温側蒸発器４２は冷媒配管を介して接続されており、両者によって低温側循環回路４０が構成されている。低温側循環回路４０には、ＣＯ２などの自然冷媒が封入されており、低温側蒸発器４２及び低温側凝縮器４１で冷熱の授受が行われる。
【００１６】
ハウジング１０の内部には、低温側蒸発器４２によって得られた冷気を冷却室１１、１２、１３へ分配するためのダクト２０が設けられている。ダクト２０は冷却室１１、１２、１３に連通する冷気吹出口２１を適所に有して成る。また、ダクト２０内部には、冷気を強制的に送り出すための送風ファン２２が適所に設置されている。
【００１７】
なお、本図には示していないが、ハウジング１０の内部には、冷却室１１、１２、１３から空気を回収するダクトも設けられている。該ダクトは低温側蒸発器４２の下方に吹出口を有し、冷却されるべき空気を図１の破線矢印のように低温側蒸発器４２に供給する。
【００１８】
スターリング冷凍エンジン３０の他の一部は、駆動時にウォームヘッドを形成する。該ウォームヘッドには、高温側蒸発器５１が取り付けられている。また、ハウジング１０の上面には、庫外環境に放熱を行う高温側凝縮器５２と送風ファン５３が設けられている。高温側蒸発器５１と高温側凝縮器５２は冷媒配管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５０が構成されている。高温側自然循環回路５０には、水（水溶液を含む）或いは炭化水素系の自然冷媒が密封されており、該冷媒は高温側自然循環回路５０内を自然循環する。
【００１９】
一方、高温側蒸発器５１は高温側強制循環回路６０にも接続されている。高温側強制循環回路６０は、冷媒を強制循環する循環ポンプ６１と、結露防止部６２と、を有して成る。結露防止部６２は、冷媒配管の一部を冷却室１１、１２、１３の開口部に引き回して成り、結露が生じやすい開口部近傍（パッキング１７とハウジング１０との接触箇所周辺、すなわち庫内と庫外の境界領域）を冷媒の持つ温熱で加熱して結露を防止するものである。なお、製造上の都合などにより、高温側強制循環回路６０を配設できない結露発生予想箇所には、通電によって発熱する電熱ヒータ７０が取り付けられている。
【００２０】
続いて、上記構成から成る冷却庫１の動作について説明を行う。上記構成から成る冷却庫１において、スターリング冷凍エンジン３０が駆動されると、コールドヘッドの温度は低下する。従って、低温側凝縮器４１は冷却され、内部の冷媒は凝縮される。
【００２１】
低温側凝縮器４１で凝縮された冷媒は、低温側循環回路４０を通って低温側蒸発器４２に流れ込む。低温側蒸発器４２に流れ込んだ冷媒は、低温側蒸発器４２の外側を通過する気流の熱で蒸発し、低温側蒸発器４２の表面温度を下げる。従って、低温側蒸発器４２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から冷却室１１、１２、１３に吹き出し、冷却室１１、１２、１３の温度を下げる。その後、冷却室１１、１２、１３内の空気は図示しないダクトを通って低温側蒸発器４２に環流する。
【００２２】
なお、低温側蒸発器４２で蒸発した冷媒は、低温側循環回路４０を通って低温側凝縮器４１に戻り、そこで熱を奪われて再び凝縮する。そして、上記した熱交換動作が繰り返される。
【００２３】
一方、スターリング冷凍エンジン３０の駆動によって発生する熱や、ウォームヘッドによって庫内から回収された熱は、廃熱としてウォームヘッドから放熱される。従って、高温側蒸発器５１は加熱され、内部の冷媒は蒸発する。
【００２４】
高温側蒸発器５１で蒸発した気相状態の冷媒は、高温側自然循環回路５０を通って、上方に設けられた高温側凝縮器５２に流れ込む。高温側凝縮器５２に流れ込んだ冷媒は、送風ファン５３によって庫外から高温側凝縮器５２内に導入された気流により熱を奪われて凝縮する。なお、高温側凝縮器５２で凝縮した冷媒は高温側自然循環回路５０を通って高温側蒸発器５１に戻り、そこで熱を受け取って再び蒸発する。そして、上記した熱交換動作が繰り返される。
【００２５】
また、高温側蒸発器５１の内部で飽和している冷媒のうち、液相状態の冷媒は循環ポンプ６１によって高温側強制循環回路６０に強制循環され、結露防止部６２へと導入される。従って、冷却室１１、１２、１３の開口部近傍は、導入された冷媒の持つ温熱で加熱される。このような構成とすることにより、不必要な電力を消耗することなく、結露が生じやすい開口部近傍の温度を露点温度以上に保ち、結露を防止することができる。なお、高温側強制循環回路６０を配設できない結露発生予想箇所については、電熱ヒータ７０への通電を行うことで、その温度を露点温度以上に保ち、結露を防止することができる。
【００２６】
ここで、本発明に係る冷却庫１は、図３〜図５に示すように、周囲の雰囲気に基づいて開口部近傍における結露可能性の高低を判定する結露検出部８０と、該結露検出部８０の検出結果に基づいて、送風ファン５３、循環ポンプ６１、及び電熱ヒータ７０を制御する制御部９０と、を有し、結露可能性の高低に応じて、高温側強制循環回路６０の冷媒循環量や高温側自然循環回路５０からの放熱量を制御することに特徴を有している。
【００２７】
具体的に言うと、制御部９０は、結露検出部８０の検出結果に基づいて開口部近傍で結露の可能性が高いと判断した場合、循環ポンプ６１の運転と電熱ヒータ７０への通電を開始し、結露の可能性が低いと判断した場合、循環ポンプ６１の運転と電熱ヒータ７０への通電を停止する。
【００２８】
このような構成とすることにより、開口部近傍における結露可能性が低い場合には、庫外壁面が不要に加熱されないので、庫内への熱負荷を抑えて消費電力を減らすことができる。例えば、周囲環境が高温・低湿度である場合、その周囲温度の高さから冷却に要する負荷が増大してウォームヘッドは高温となるが、上記制御によって高温側強制循環回路６０の冷媒循環量は低減されるので、庫外壁面を加熱し過ぎることなく、適切に結露を防止することが可能となる。なお、本構成を採用すれば、比較的故障しやすい機械要素である循環ポンプ６１の運転時間が減るので、装置の信頼性向上にも貢献することができる。
【００２９】
また、制御部９０は、結露検出部８０の検出結果に基づいて開口部近傍で結露の可能性が高いと判断した場合、上記の制御と同時に、送風ファン５３の送風量（すなわち、高温側自然循環回路５０の放熱量）を減じて、ウォームヘッドの表面温度と周囲温度の差が所定値以上となるように制御を行う。なお、上記の所定温度差は、結露防止部６２を通過する冷媒温度が周囲温度以上となるように、予め実験によって求められた値である。
【００３０】
このような構成とすることにより、たとえスターリング冷凍エンジン３０への負荷が少ない場合（例えば、周囲環境が低温・高湿度である場合）であっても、高温側強制循環回路６０の冷媒温度は所定値以上に維持されるので、結露防止部６２を常に機能させることが可能となる。
【００３１】
なお、上記の結露検出部８０は、図３に示すように、比較的結露の生じやすい箇所（結露防止部６２周辺など）で壁面湿度を計測する壁面湿度センサ８１を有して成る構成にするとよい。このとき、制御部９０は、例えば、相対湿度９０％以上なら結露可能性が高いと判断し、９０％未満なら結露可能性は低いと判断する構成とすればよい。このような構成とすることにより、制御部９０は、庫外壁面近傍の相対湿度に応じて直接的に結露の可能性を判断することができるので、単純な構成で早期に結露を検知することが可能となる。
【００３２】
また、上記の結露検出部８０は、図４に示すように、比較的結露の生じやすい箇所（結露防止部６２周辺など）で壁面温度Ｔｗを計測する壁面温度センサ８２と、正確な周囲温度を得やすい箇所（高温側凝縮器５２の気流導入口など）で周囲温度Ｔ０を計測する周囲温度センサ８３と、を有して成る構成にしてもよい。このとき、制御部９０は、壁面温度Ｔｗ＜周囲温度Ｔ０なら結露可能性が高いと判断し、壁面温度Ｔｗ＞周囲温度Ｔ０なら結露可能性は低いと判断する構成とすればよい。このように、湿度センサよりも信頼性の高い温度センサを利用する構成であれば、より信頼性の高い結露防止機能を実現することが可能となる。
【００３３】
また、上記の結露検出部８０は、図５に示すように、上記２つの温度センサ８２、８３に加えて、正確な周囲湿度を得やすい箇所（高温側凝縮器５２の気流導入口など）で周囲湿度φ０を計測する周囲湿度センサ８４を有して成る構成にしてもよい。このとき、制御部９０は、図６に示すマトリックスを参照して、周囲温度Ｔ０と周囲湿度φ０から周囲環境の露点温度Ｔｄを求め、壁面温度Ｔｗ＜露点温度Ｔｄなら結露可能性が高いと判断し、壁面温度Ｔｗ＞露点温度Ｔｄなら結露可能性は低いと判断する構成とすればよい。このように、壁面温度Ｔｗと露点温度Ｔｄを直接比較して結露の可能性を判断する構成であれば、より信頼性の高い結露防止機能を実現することが可能となる。
【００３４】
なお、上記実施形態では、高温側強制循環回路６０の冷媒循環量や高温側自然循環回路５０からの放熱量を制御するために、送風ファン５３や循環ポンプ６１の駆動制御を行う構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、冷媒循環量を調節するための弁や、放熱量を調節するための放熱通路開閉装置を設けた構成としても構わない。
【００３５】
【発明の効果】
上記で説明したように、本発明によれば、不必要な電力を消耗することなく、適切に結露を防止することが可能な冷却庫を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷却庫の一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本実施形態における冷却庫の配管構成図である。
【図３】結露検出部８０の第１実施形態を示すブロック図である。
【図４】結露検出部８０の第２実施形態を示すブロック図である。
【図５】結露検出部８０の第３実施形態を示すブロック図である。
【図６】周囲温度Ｔ０、相対湿度φ０、及び露点温度Ｔｄの関係を示すマトリックスである。
【符号の説明】
１　　冷却庫
１０　　ハウジング
１１、１２、１３　　冷却室
１４、１５、１６　　断熱扉
１７　　パッキング
１８　　棚
１９　　機械室
２０　　ダクト
２１　　冷気吹出口
２２　　送風ファン
３０　　スターリング冷凍エンジン
４０　　低温側循環回路
４１　　低温側凝縮器
４２　　低温側蒸発器
５０　　高温側自然循環回路
５１　　高温側蒸発器
５２　　高温側凝縮器
５３　　送風ファン
６０　　高温側強制循環回路
６１　　循環ポンプ
６２　　結露防止部
７０　　電熱ヒータ
８０　　結露検出部
８１　　壁面湿度センサ
８２　　壁面温度センサ
８３　　周囲温度センサ
８４　　周囲湿度センサ
９０　　制御部
【図１】
2004101050.tif 000003
【図２】
2004101050.tif 000004
【図３】
2004101050.tif 000005
【図４】
2004101050.tif 000006
【図５】
2004101050.tif 000007
【図６】
2004101050.tif 000008