(57)【要約】      （修正有）【課題】低温側蒸発器の冷媒管最下部を加温しサーモサイフォンを利用して省スペース、高効率に除霜できる冷却装置を提供する。【解決手段】スターリング冷凍機１の低温部３の冷熱を取り出す低温側冷熱搬送サイクル５と、スターリング冷凍機の高温部２の温熱を外部に放出する高温側熱搬送サイクル４を備えた冷却装置１００にて、低温側冷熱搬送サイクルはスターリング冷凍機の低温部に取り付けられた低温側凝縮器１２にループ状の冷媒管２０を接続し、冷媒管の一部によって低温側凝縮器の下方に低温側蒸発器１５を形成し、低温側蒸発器は鉛直方向に高さを変えて蛇行し互いの最下部２１ｃ，２２ｃに折返し点を形成し水平に対向した一対の蛇管部２１ｂ，２２ｂと、蛇管部２１ｂ，２２ｂの最下部２１ｃ，２２ｃを除く直線部分に水平に対向する一対の管にまたがって平行に取り付けた複数の平板フィン１６を備え、蛇管部の最下部に電熱ヒータ２３を取り付けた。【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部にて発生する冷熱を取り出す低温側冷熱搬送サイクルと、スターリング冷凍機の高温部にて発生する温熱を外部に放出する高温側熱搬送サイクルとを備えた冷却装置において、
前記低温側冷熱搬送サイクルは、スターリング冷凍機の低温部に取り付けられた低温側凝縮器と該低温側凝縮器の下方に位置する低温側蒸発器とをサーモサイフォンを構成するよう冷媒管で接続し、
前記低温側蒸発器に電熱ヒータを取り付けたことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記低温側蒸発器を構成する冷媒管に電熱ヒータを取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記低温側蒸発器を構成する上り管側冷媒管に電熱ヒータを取り付けたことを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記低温側蒸発器を構成する平板フィンに電熱ヒータを取り付けたことを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
【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装置に関し、特に低温側蒸発器の除霜の効率を向上させた冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、フロン等による環境破壊への懸念から、スターリング冷凍機を搭載したいわゆるノンフロン冷蔵庫に対する関心が高まっている。このような冷蔵庫は、スターリング冷凍機の駆動により発生する極低温の冷熱を庫内へ搬送するとともに、廃熱を庫外へ放出するためのシステム（冷却装置）を備えている。
【０００３】
従来のスターリング冷凍機を備えた冷却装置について説明する。図３は、従来の冷却装置の一例の概略構成図（ａ）及びその矢視ｘ−ｘ線断面図（ｂ）である。冷却装置１００は、スターリング冷凍機１にて発生する冷熱を取り出す低温側冷熱搬送サイクル５及び温熱を外部に放出する高温側熱搬送サイクル４を備えている。スターリング冷凍機１は、内部に封入された作動媒体（例えばヘリウム）の膨張過程で吸熱して冷熱を発生する低温部３と、作動媒体の膨張過程で温熱を発生する高温部２とを有する。
【０００４】
低温側冷熱搬送サイクル５は、低温部３に取り付けられた低温側凝縮器１２にループ状の冷媒管２０を接続し、該冷媒管２０の一部によって前記低温側凝縮器１２の下方に低温側蒸発器１５を形成したものである。冷媒管２０は、冷媒凝縮液が自然流下する下り管２１と、比重の軽い冷媒蒸気が上昇していく上り管２２とから構成され、下り管２１、上り管２２ともに鉛直方向に高さを変えながら蛇行する蛇管部（それぞれ、２１ｂ，２２ｂ）と、低温側凝縮器１２から鉛直下方に延びて前記蛇管部２１ｂ，２２ｂに連なる直管部（それぞれ、２１ａ，２２ａ）とを備え、下り管２１と上り管２２が対となるように、蛇管部２１ｂ，２２ｂの互いの最下の直線部分（以下、「最下部」と呼ぶ。）２１ｃ，２２ｃに折返し点を形成して水平に対向させたものである。蛇管部２１ｂ，２２ｂの直線部分には水平に対向する一対の管にまたがって、列をなすように複数の平板フィン１６が平行に取り付けられていて、これら蛇管部２１ｂ，２２ｂ及び平板フィン１６で低温側蒸発器（冷却器）１５を構成している。
【０００５】
この回路内には二酸化炭素や炭化水素等が冷媒として封入され循環回路内でサーモサイフォンを形成する。また、冷媒の蒸発と凝縮による自然循環が利用できるように、低温側蒸発器１５を低温側凝縮器１２より低い位置に設置している。そして、低温側蒸発器１５の下方にはドレン皿１７が設けられている。
【０００６】
一方、高温側熱搬送サイクル４は、水や炭化水素等の自然冷媒を用いたサーモサイフォンから成り、概略的には、スターリング冷凍機１の高温部２に取り付けられた高温側蒸発器６と、高温側蒸発器６より高い位置に配置され自然冷媒を凝縮する高温側凝縮器８と、高温側蒸発器６と高温側凝縮器８とを連結して冷媒を循環させる蒸気側冷媒配管７と凝縮液側冷媒配管１１とから構成された循環回路である。この回路内には水（水溶液を含む）や炭化水素等の自然冷媒が冷媒として封入されている。このように、水（水溶液を含む）や炭化水素を冷媒として使うことによって、環境や人体への悪影響をなくすことができる。なお、冷媒の蒸発と凝縮による自然循環を円滑にするため、凝縮液側冷媒配管１１を高温側蒸発器６の最上端に連結している。高温側凝縮器８には、熱交換面積を拡大するために複数の平板フィン１８が取り付けられている。そして、高温側凝縮器８の後方には一対の放熱ファン１９が設けられており、放熱ファン１９により熱を外部に排出している。
【０００７】
かかる構成で、冷蔵庫の保冷運転時にはスターリング冷凍機１を運転することにより、低温側冷熱搬送サイクル５内でサーモサイフォンが形成され、低温側凝縮器１２内で凝縮した冷媒凝縮液が重力で下り管２１の直管部２１ａ内を下降して蛇管部２１ｂ内に流入し、該蛇管部２１ｂ内を蛇行して流下しながら平板フィン１６を介して外気から熱を奪って加温される。冷媒凝縮液は、最下部２１ｃを折り返して、上り管２２の蛇管部２２ｂ内に流入したあたりから平板フィン１６を介して外部から潜熱を奪って蒸発し始める。そして、蛇管部２２ｂ内を蛇行して自然上昇し、直管部２２ａ内に流入し、直管部２２ａ内をさらに上昇して低温側凝縮器１２内に戻る。このサイクルが繰り返されることにより、低温側蒸発器１５周囲の空気が低温に冷却されるので、この冷気をファン等により庫内に送ることで庫内を冷却することができる。
【０００８】
この冷蔵庫の保冷運転時には、低温側蒸発器１５に霜が発生して着霜し、冷蔵庫の保冷運転の時間経過に伴ってその霜の量が成長する。この霜は低温側蒸発器１５と循環空気流との熱交換、並びに通風を阻害して冷蔵庫の保冷性能を低下させることから、通常は一日に数回程度の割合で冷蔵庫の運転モードを保冷運転から除霜運転に切換え、低温側蒸発器１５に付着している霜を融解除去して除霜するようにしている。
【０００９】
この除霜方法としては、ヒートパイプを利用して冷却器に除霜熱を与えるようにしたヒートパイプ除霜方式が開発されており、例えば、特許文献１〜４に記載されている。
【特許文献１】特開平８−３０３９３２号公報（第１図参照）
【特許文献２】特開平８−３０３９３３号公報（第１図参照）
【特許文献３】特開平８−３１３１４４号公報（第１図参照）
【特許文献４】特開平９−２６４６５７号公報（第１図参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、かかるヒートパイプ除霜方式では、図３のように蛇管部２１ｂ，２２ｂが幾重にも蛇行するような低温側蒸発器（冷却器）１５の除霜では、冷却器全体に均等に熱移送するため、特許文献１及び２の第１図のように、複数本のヒートパイプを分散配置したり、特許文献３の第１図のように、ヒートパイプを蛇行状に長く配管する必要がある。そのため、ヒートパイプの配管スペースを庫内に充分に確保することが困難な場合は適用できないという問題がある。
【００１１】
また、特許文献４の第１図に示すヒータ内蔵式のヒートパイプは、蛇管の鉛直方向を通して全管が一枚の平板フィンを共有する冷却器を対象としており、図３のように、平板フィン１６が鉛直方向に分断された形で設けられたものには適用できない。
【００１２】
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、低温側蒸発器の冷媒管最下部を加温することで、サーモサイフォンを利用して省スペース、かつ、高効率に除霜できる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため本発明では、スターリング冷凍機の低温部にて発生する冷熱を取り出す低温側冷熱搬送サイクルと、スターリング冷凍機の高温部にて発生する温熱を外部に放出する高温側熱搬送サイクルとを備えた冷却装置において、
前記低温側冷熱搬送サイクルは、スターリング冷凍機の低温部に取り付けられた低温側凝縮器に該低温側凝縮器の下方に位置する低温側蒸発器とをサーモサイフォンを構成するよう冷媒管で接続し、
前記低温側蒸発器に電熱ヒータを取り付けたことを特徴としている。
【００１４】
この構成によると、冷蔵庫の運転モードが保冷運転から除霜に切り替わると、スターリング冷凍機の運転が停止されて電熱ヒータに通電され、蛇管部に封入されている冷媒凝縮液が気化し、蒸気となって低温側凝縮器に向けて上昇する。上昇した冷媒蒸気は、低温側凝縮器に放熱して凝縮液化した後、自然流下して最下部に還流して再び蒸発するところの、蒸発／凝縮サイクルを繰り返す。
【００１５】
また、前記低温側蒸発器への電熱ヒータの取り付けは、前記低温側蒸発器を構成する冷媒管に電熱ヒータを取り付けると良い。しかも上り管側冷媒管に電熱ヒータを取り付けると更に良い。又、前記低温側蒸発器への電熱ヒータの取り付けは、前記低温側蒸発器を構成する平板フィンに電熱ヒータを取り付けても良い。
【００１６】
この構成によると、冷蔵庫の運転モードが保冷運転から除霜に切り替わると、スターリング冷凍機の運転が停止されて電熱ヒータに通電され、冷媒管の上り管側下部または平板フィンに取り付けられた電熱ヒータからの伝熱により冷媒管に封入されている冷媒凝縮液が気化し、蒸気となって低温側凝縮器に向けて上昇する。上昇した冷媒蒸気は、低温側凝縮器に放熱して凝縮液化した後、自然流下して最下部に還流して再び蒸発するところの、蒸発／凝縮サイクルを繰り返す。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、サーモサイフォンを利用して冷媒管内で冷媒を自然循環させることができ、この過程で、蛇管部からの放熱及び伝熱により、蛇管部自体に付着している霜及び平板フィンの表面に付着している霜を融解除去し、低温側蒸発器の除霜が効率良く行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明の冷却装置１００には次のような各実施例の低温側冷熱搬送サイクル５が装備されている。
【実施例１】
【００１９】
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施例１に係る冷却装置の一例の概略構成図及びその矢視ｘ−ｘ線断面図である。この図において、図３に示す従来の構成と同一の部分には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。平板フィン１６は、蛇管部２１ｂ，２２ｂの最下部２１ｃ，２２ｃには配設されず、最下部２１ｃ，２２ｃには、同等の長さを有する電熱ヒータ２３が取り付けられている。
【００２０】
一方、冷蔵庫の運転モードが保冷運転から除霜に切り替わると、スターリング冷凍機１の運転が停止されて電熱ヒータ２３に通電され、冷媒管２０に封入されている冷媒凝縮液が気化し、蒸気となって低温側凝縮器１２に向けて上り管２２内を上昇する。そして、低温側凝縮器１２に放熱して凝縮液化した後、下り管２１内を自然流下して最下部２１ｃ，２２ｃに還流して再び蒸発するように、蒸発／凝縮サイクルを繰り返す。この過程で、上り管２２の蛇管部２２ｂからの放熱及び伝熱により、蛇管部２１ｂ，２２ｂ自体に付着している霜及び平板フィン１６の表面に付着している霜を融解除去し、低温側蒸発器１５の除霜が効率良く行える。
【００２１】
この場合に、冷媒管２０は、凝縮部である低温側凝縮器１２と蒸発部である最下部２１ｃ，２２ｃとの間がループ状に連なっており、これにより上り管２２内を上昇する冷媒蒸気と下り管２１内を下降する冷媒凝縮液はループ状の管路を循環するように流れるので、蒸気と液体が互いに同じ冷媒管２０内で交錯して流れを阻害し合うような干渉が生じなくなる。この結果として、冷媒管２０の冷媒循環量が大幅に上昇して高い熱移送能力を発揮できる。
【実施例２】
【００２２】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施例２に係る冷却装置の一例の概略構成図及びその矢視ｘ−ｘ線断面図である。蛇管部２１ｂ，２２ｂの最下部２１ｃ，２２ｃに取り付けられた平板フィン１６の列を貫通して、最下部２１ｃ，２２ｃと同等の長さを有する一対の電熱ヒータ２３が最下部２１ｃ，２２に対して平行に取り付けられている。
【００２３】
かかる構成で、冷蔵庫の運転モードが保冷運転から除霜に切り替わると、スターリング冷凍機１の運転が停止されて電熱ヒータ２３に通電し、最下部２１ｃ，２２ｃに取り付けられた平板フィン１６が加温され、伝熱により最下部２１ｃ，２２ｃに封入されている冷媒凝縮液が気化し、蒸気となって低温側凝縮器１２に向けて上り管２２内を上昇する。そして、低温側凝縮器１２に放熱して凝縮液化した後、下り管２１内を自然流下して最下部２１ｃ，２２ｃに還流して再び蒸発するように、蒸発／凝縮サイクルを繰り返す。この過程で、上り管２２の蛇管部２２ｂからの放熱及び伝熱により、蛇管部２１ｂ，２２ｂ自体に付着している霜及び平板フィン１６の表面に付着している霜を融解除去し、低温側蒸発器１５の除霜が効率良く行える。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、スターリング冷凍機を備えた冷却装置に関するものであり、本装置を冷蔵庫に搭載することで、いわゆるノンフロン冷蔵庫を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】は、本発明実施例１に係る冷却装置の一例の概略構成図（ａ）及びその矢視ｘ−ｘ線断面図（ｂ）である。
【図２】は、本発明実施例２に係る冷却装置の一例の概略構成図（ａ）及びその矢視ｘ−ｘ線断面図（ｂ）である。
【図３】は、従来の冷却装置の一例の概略構成図（ａ）及びその矢視ｘ−ｘ線断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
【００２６】
１    スターリング冷凍機
２    高温部
３    低温部
４    高温側熱搬送サイクル
５    低温側冷熱搬送サイクル
６    高温側蒸発器
７    蒸気側冷媒配管
８    高温側凝縮器
１１  凝縮液側冷媒配管
１２  低温側凝縮器
１５  低温側蒸発器
１６，１８   平板フィン
１９  放熱ファン
２０  冷媒管
２１  下り管
２２  上り管
２１ａ，２２ａ  直管部
２１ｂ，２２ｂ  蛇管部
２１ｃ，２２ｃ  最下部
２３  電熱ヒータ
【図１】
2005201581.tif 000003
【図２】
2005201581.tif 000004
【図３】
2005201581.tif 000005