(57)【要約】【課題】  除霜運転終了後における冷却空間の温度を早期に所定の温度にすることができる冷却庫を提供する。【解決手段】  制御装置３０は、除霜運転中において、ヒータ８０により蒸発器５０を加熱する除霜運転制御を実行しているときに、切替弁３５および４５を制御することによって、蒸発器５０と蓄冷材４１との間でループ配管３００の一部およびバイパス配管４２においてのみ冷媒を循環させる。このとき、スターリング冷凍機４０の低温側の凝縮器１１２と蒸発器５０との間では冷媒は循環しないため、凝縮器１１２が暖められることはない。したがって、除霜運転の効率が向上するとともに、冷凍室９５および冷蔵室９０の冷却を早期に開始することができる。【選択図】        図３
2005274009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機の低温部と熱交換を行なう凝縮器と、
前記凝縮器の冷熱が２次冷媒の循環路を介して搬送される蒸発器と、
一方端が前記循環路の往路に接続され、他方端が前記循環路の復路に接続されたバイパス路と、
前記循環路および前記バイパス路内の前記２次冷媒の循環経路を変更する経路変更機構と、
前記蒸発器の除霜を行なうヒータと、
前記経路変更機構および前記ヒータを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記ヒータにより前記蒸発器を加熱する除霜運転制御を実行しているときに、前記蒸発器と前記バイパス路との間においてのみ前記２次冷媒が循環するように、前記経路変更機構を制御する、冷却庫。
【請求項２】
冷凍機の低温部と熱交換を行なう凝縮器と、
前記凝縮器の冷熱が２次冷媒の循環路を介して搬送される蒸発器と、
一方端が前記循環路の往路に接続され、他方端が前記循環路の復路に接続されたバイパス路と、
前記バイパス路の周囲に設けられ、前記バイパス路を流れる２次冷媒の冷熱を蓄積する蓄冷材と、
前記循環路および前記バイパス路内の前記２次冷媒の循環経路を変更する経路変更機構と、
前記蒸発器の除霜を行なうヒータと、
前記冷凍機、前記経路変更機構および前記ヒータを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記ヒータにより前記蒸発器を加熱する除霜運転制御を実行しているときに、前記冷凍機の運転を実行し、前記凝縮器と前記バイパス路との間においてのみ前記２次冷媒が循環するように、前記経路変更機構を制御する、冷却庫。
【請求項３】
前記冷却庫は、
冷凍の対象物が収納される冷凍室と、
前記蒸発器により生成された冷気を前記冷凍室へ導く冷気流路とをさらに備え、
前記制御装置は、前記ヒータにより前記蒸発器を加熱する除霜運転を終了した後において、前記バイパス路と前記蒸発器との間において前記冷媒が循環するように、前記経路変更機構を制御する、請求項２に記載の冷却庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却の対象物を収納する冷却空間を有する冷却庫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷却庫の運転を長時間継続すると、低温側蒸発器に霜が付着する。低温側蒸発器に付着した霜を除去するために、ヒータが低温側蒸発器の近傍に設けられている。前述の冷却庫は、運転継続時間が所定時間に達すると、冷凍機を停止させるとともに、低温側蒸発器に付着している霜を除去する除霜運転のためにヒータによる低温側蒸発器の加熱を開始する。
【０００３】
なお、本明細書においては、冷凍および冷蔵の双方を含めた概念として冷却という用語を用いる。つまり、冷却庫は、冷却の対象物を外気よりも低い温度の空間を形成する装置の全てをいうものとする。また、冷却庫には冷凍冷蔵庫が含まれている。冷凍冷蔵庫とは、対象物を凍結させる冷凍庫と、対象物を凍結させることはないが、対象物の周囲空間を外気よりも低い温度に保持する冷蔵庫との双方を有する冷却庫であるものとする。
【特許文献１】特開２００３−５００７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されたスターリング冷蔵庫においては、除霜運転のときに、ヒータによって加熱された低温側蒸発器内の２次冷媒が、自然循環によって配管内を流れ、低温側凝縮器へ搬送される。それにより、温度を上昇させる必要がない低温側凝縮器および冷凍機の低温ヘッドの温度を上昇させる。そのため、除霜運転の効率が低下するとともに、除霜運転終了後に低温ヘッドの温度を所定の温度まで低下させるためにかなりの時間を必要とする。その結果、除霜運転の終了後、冷却庫内の温度よりも高い空気が冷却庫内に送り出される。それにより、冷却庫内の温度を一旦上昇させてしまい冷却対象物の品質を損なうという課題が残されていた。
【０００５】
また、冷却庫においては、冷凍機を停止することなく、常に、運転していることが望ましい。しかしながら、前述のような除霜運転によって暖められた二次冷媒が配管内を循環するときに、冷凍機を運転すると、配管内の二次冷媒の温度を低下させる。そのため、除霜運転の効率が低下する。したがって、除霜運転中においては、冷凍機を停止する必要がある。その結果、冷却空間の冷却の開始が遅れてしまう。
【０００６】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却空間の温度を早期に所定の温度にすることができる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】
本発明の一の局面の冷却庫は、冷凍機の低温部と熱交換を行なう凝縮器と、凝縮器の冷熱が２次冷媒の循環路を介して搬送される蒸発器とを備えている。また、冷却庫は、一方端が循環路の往路に接続され、他方端が循環路の復路に接続されたバイパス路と、循環路および前記バイパス路内の２次冷媒の循環経路を変更する経路変更機構とを備えている。さらに、冷却庫は、蒸発器の除霜を行なうヒータと、経路変更機構およびヒータを制御する制御装置とを備えている。また、制御装置は、ヒータにより蒸発器を加熱する除霜運転制御を実行しているときに、蒸発器とバイパス路との間においてのみ２次冷媒が循環するように、経路変更機構を制御する。
【０００８】
上記の制御によれば、蒸発器の除霜運転を行なうときに、冷凍機へ加熱された冷媒を搬送することなく、蒸発器とバイパス路との間のみにおいて、加熱された冷媒を自然に循環させることができる。それにより、冷凍機の低温部および凝縮器を加熱することなく除霜運転を行なうことができ、冷却庫の除霜運転の効率を向上させることができる。また、除霜運転終了後の冷却運転において冷凍機の低温部および凝縮器を早く冷却することができ、冷却空間の温度を所定の温度に早く冷却することができる。
【０００９】
他の局面の冷却庫は、冷凍機の低温部と熱交換を行なう凝縮器と、凝縮器の冷熱が２次冷媒の循環路を介して搬送される蒸発器とを備えている。また、冷却庫は、一方端が循環路の往路に接続され、他方端が循環路の復路に接続されバイパス路と、バイパス路の周囲に設けられ、前記バイパス路を流れる２次冷媒の冷熱を蓄積する蓄冷材とを備えている。また、冷却庫は、循環路およびバイパス路内の２次冷媒の循環経路を変更する経路変更機構と、蒸発器の除霜を行なうヒータと、冷凍機、経路変更機構およびヒータを制御する制御装置とを備えている。さらに、冷却庫は、制御装置は、ヒータにより蒸発器を加熱する除霜運転制御を実行しているときに、冷凍機の運転を実行し、凝縮器とバイパス路との間においてのみ２次冷媒が循環するように、経路変更機構を制御する。
【００１０】
上記の構成によれば、蒸発器の除霜運転中において、冷凍機が生成する冷熱を蓄冷材に蓄積することができる。したがって、除霜運転終了後において冷凍機の低温部および凝縮器が冷却された状態にあるので直ちに蒸発器を冷却することができる。そのため、蓄冷材に蓄積された冷熱を利用するのと相俟って蒸発器を早く冷却することにより、冷凍室および冷蔵室の温度を所定の温度に早く冷却することができる。
【００１１】
前述の他の局面の冷却庫は、冷却庫は、冷凍の対象物が収納される冷凍室と、蒸発器により生成された冷気を冷凍室へ導く冷気流路とをさらに備えていることが望ましい。また、制御装置は、ヒータにより蒸発器を加熱する除霜運転を終了した後において、バイパス路と蒸発器との間において冷媒が循環するように、経路変更機構を制御することが望ましい。
【００１２】
上記の構成によれば、除霜運転の終了後においては、蓄冷材に蓄積された冷熱を用いて蒸発器から冷気を発生させることにより、冷凍室内の温度が上昇することを抑制し、冷凍室を早期に所定の温度に冷却することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、冷却空間の温度を早期に所定の温度にすることができる冷却庫が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１〜図６を用いて、本実施の形態の冷却庫の全体構成を説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態の冷却庫２００は、スターリング冷凍機４０を備えている。スターリング冷凍機４０は、断熱壁１０５の外部に設置されている。また、冷却庫２００には、食品等を冷蔵する冷蔵室９０と食品等を冷凍する冷凍室９５とを備えている。また、冷却庫２００は、断熱壁として機能する扉であって、冷蔵室９０に設けられた扉１１０と、冷凍室９５に設けられた扉１２０とを有している。
【００１６】
また、図２〜図５に示すように、スターリング冷凍機４０の高温部（後述する圧縮空間９）にて発生した温熱は、高温側凝縮器１１１内の２次冷媒（たとえば、水）に伝達される。高温側凝縮器１１１内の２次冷媒は、ループ配管２２０内を自然に循環する。この循環によって高温側の２次冷媒の温熱が放熱フィン２５から放出される。なお、放熱フィン２５において温熱が放出されているときには、ループ配管２２０内の２次冷媒はサーモサイフォンの原理により自然に循環する。
【００１７】
また、図１に示すように、スターリング冷凍機４０の低温部（膨張空間１０）にて発生した冷熱は、凝縮器１１２内の２次冷媒（たとえば、二酸化炭素）に伝達される。凝縮器１１２内の２次冷媒は、ループ配管３００内を流れ、蒸発器５０に流れ込む。蒸発器５０において、低温側の２次冷媒は気化する。それにより、蒸発器５０内の冷却フィン５５は周囲の空気から熱を奪い、蒸発器５０の周囲に冷気が生成される。なお、ループ配管３００内の２次冷媒は、蒸発器５０において、熱交換が行なわれているときには、サーモサイフォンの原理により自然に循環する。
【００１８】
また、図１に示すように、蒸発器５０の近傍には冷却ファン６０が設けられ、冷却ファン６０の回転によって、開口８１から冷気流路７０内へ空気が吸い込まれるとともに、蒸発器５０によって生成された冷気の移動が促進される。この冷気は、冷気流路７０内を流れた後、開口７２から冷凍室９５内へ流れ込むとともに、開口７１から冷蔵室９０内へ流れ込む。
【００１９】
通常の冷却時においては、図２において矢印で示すように、低温側の凝縮器１１２と蒸発器５０との間の循環路としてのループ配管３００内を２次冷媒としての二酸化炭素が循環する。また、ループ配管３００には、一方端がループ配管３００の往路３００ａに接続され、他方端がループ配管３００の復路３００ｂに接続されたバイパス配管４２が接続されている。
【００２０】
ループ配管３００の往路３００ａとバイパス配管４２との接続部には、２次冷媒の流路を切り替えるための切替弁３５が設けられている。ループ配管３００の復路３００ｂとバイパス配管４２との接続部には、２次冷媒の流路を切り替えるための切替弁４５が設けられている。ループ配管３００およびバイパス配管４２内の冷媒の循環経路は、経路変更機構としての切替弁３５および４５の状態によって変更される。
【００２１】
なお、冷媒の循環路は、凝縮器１１２と蒸発器５０との間のループ配管３００内のみを冷媒が循環する経路、蒸発器５０と後述する蓄冷材４１との間でループ配管３００内の一部およびバイパス配管４２内のみを冷媒が循環する経路、凝縮器１１２と蓄冷材４１との間でループ配管３００内の一部およびバイパス配管４２内のみを冷媒が循環する経路、ならびに、ループ配管３００内およびバイパス配管４２内のそれぞれを同時に冷媒が循環する経路の４つの経路が存在し、切替弁３５および４５の状態が変更されることによって、４つの経路のいずれかが選択される。
【００２２】
また、除霜運転中においては、蒸発器５０は、ヒータ８０によって加熱される。スターリング冷凍機４０、切替弁３５および４５ならびにヒータ８０は、制御装置３０によって制御される。さらに、制御装置３０は、蒸発器５０の除霜運転中においては、図３において矢印で示すように、ヒータ８０により蒸発器５０を加熱する制御を実行しているときに、切替弁３５および４５を制御することによって、蒸発器５０（バイパス配管３００の一部）とバイパス配管４２との間においてのみ冷媒を循環させる。
【００２３】
上記の制御方法によれば、蒸発器５０の除霜運転を行なっているときに、凝縮器１１２へ加熱された冷媒としての二酸化炭素を搬送することなく、蒸発器５０とバイパス配管４２との間のみにおいて、加熱された二酸化炭素を自然に循環させることができる。それにより、スターリング冷凍機４０の運転を停止しなくても、すなわち、スターリング冷凍機４０を低出力で運転し続けているままでも、冷却庫２００の除霜運転の効率を低下させることがない。また、スターリング冷凍機４０を運転し続けているので、その運転状態を高出力に切り替えるだけで冷却空間としての冷蔵室９０および冷凍室９５内の温度を早期に所定の温度にすることができる。
【００２４】
また、本実施の形態の冷却庫２００は、分岐路としてのバイパス配管４２の周囲には、バイパス配管４２内を流れる二酸化炭素の冷熱を蓄積する蓄冷材４１が設けられている。
【００２５】
なお、蓄冷材とは、冷媒によって冷却されているときには、冷媒から冷熱を受けて凝固することによって、その内部に冷熱を蓄積するが、一方、冷媒によって冷却されていないときには、融解することによって、その内部に蓄積されている冷熱を放出する材料である。すなわち、蓄冷材とは、潜熱を利用して、冷却空間を冷却するものである。したがって、蓄冷材を冷蔵室９０の冷却のために使用すれば、蒸発器５０が生成する冷気の温度よりも高い温度で冷却空間を冷却することが可能になる。本実施の形態においては、蓄冷材は、スターリング冷凍機４０が生成する極めて低温の冷熱のバッファとして機能する。したがって、冷凍室９５の冷却温度が−４０℃程度である場合には、蓄冷材としては、蒸発器５０が生成する冷気の温度よりも高い温度として、たとえば、−５℃〜−１０℃程度の温度が凝固点となるように調合された液体を用いることが望ましい。蓄冷材の一例としては、エチレングリコール水溶液が考えられる。
【００２６】
また、本実施の形態の冷却庫においては、制御装置３０は、ヒータ８０により蒸発器５０を加熱する制御を実行しているときに、スターリング冷凍機４０の運転を停止する制御を実行することなく、すなわち、スターリング冷凍機４０の運転を継続したまま、図４において矢印で示すように、凝縮器１１２とバイパス配管４２との間においてのみ二酸化炭素が循環するように、切替弁３５および４５を制御してもよい。
【００２７】
上記の制御によれば、蒸発器５０の除霜運転中において、スターリング冷凍機４０が生成する冷熱を蓄冷材４１に蓄積することができる。したがって、除霜運転の終了後においてループ配管３００内およびバイパス配管４２内のそれぞれを同時に冷媒が循環するように切替弁３５および４５を制御することにより、蓄冷材４１が蓄積している冷熱を利用して蒸発器５０を冷却すれば、冷凍室９５および冷蔵室９０の温度を早期に所定の温度に低下させることができる。
【００２８】
また、本実施の形態の冷却庫２００においては、制御装置３０は、ヒータ８０により蒸発器５０を加熱する制御を停止した後の所定の期間において、図５に示すように、蓄冷材４１と蒸発器５０との間のループ配管３００の一部およびバイパス配管４２内においてのみ二酸化炭素が循環するように、切替弁３５および４５を制御してもよい。
【００２９】
上記の構成によれば、蓄冷材４１に蓄積された冷熱を用いて蒸発器５０の冷却を行なうことができるとともに、ループ配管内３００およびバイパス配管４２内の冷媒の温度を低下させることができる。そのため、除霜運転の終了後の冷凍室９５および冷蔵室９０内の温度の上昇を抑制することができ、冷凍室９５および冷蔵室９０を早期に所定の温度に冷却することができる。
【００３０】
次に、図６を用いて、本実施の形態の冷却庫２００に用いられるスターリング冷凍機４０を説明する。
【００３１】
図６は、実施の形態のスターリング冷凍機４０を示す断面図である。スターリング冷凍機４０は、２つの部分からなる円筒形状のシリンダ３内に、円柱形のピストン１およびディスプレイサ２が嵌め込まれている。ピストン１とディスプレイサ２とは、高温部としての圧縮空間９を介して設けられ、軸Ｙを共通の駆動軸として有している。
【００３２】
ディスプレイサ２の先端側に膨張空間１０が形成されている。圧縮空間９と低温部としての膨張空間１０とはヘリウム等の作動媒体が流通する媒体流通路１１を介して連通している。媒体流通路１１内には、作動媒体の熱を蓄積するとともに蓄積した熱を作動媒体に供給する再生器１２が設けられている。シリンダ３の軸方向の中央部には鍔部（フランジ）３ａが設けられている。鍔部３ａにはドーム状の耐圧容器４が取り付けられている。耐圧容器４と鍔部３ａによって、バウンス空間（背面空間）８が形成されている。
【００３３】
ピストン１は後端が支持バネ５と一体化されている。ディスプレイサ２は、ピストン１の中心孔１ａを貫通するロッド２ａを介して、支持バネ６と一体化されている。支持バネ５と支持バネ６とはボルトおよびナット２２により連結されている。後述するように、ピストン１が往復運動すると、ディスプレイサ２は、ディスプレイサ２とピストン１との間に生じる慣性力によって、ピストン１に対して所定の位相差を有する状態で、往復運動を行なう。
【００３４】
バウンス空間８内のシリンダ３の外側には内側ヨーク１８が嵌め込まれている。内側ヨーク１８は隙間１９を介して外側ヨーク１７と対向している。外側ヨーク１７には駆動用コイル１６が内装されている。隙間１９には環状の永久磁石１５が移動可能に設けられている。永久磁石１５はカップ状のスリーブ１４を介してピストン１と一体化されている。駆動用コイル１６に電圧が印加されると、ピストン１は軸Ｙに沿って往復運動する。なお、前述の内側ヨーク１８、外側ヨーク１７、駆動用コイル１６、および永久磁石１５によってリニアモータ１３が構成されている。
【００３５】
駆動用コイル１６には、リード線２０および２１が接続されている。リード線２０および２１は、耐圧容器４の壁面を貫通し、制御装置３０に接続されている。これによって、制御装置３０からリニアモータ１３への駆動電力が供給される。
【００３６】
上記構成のスターリング冷凍機４０は、リニアモータ１３によってピストン１が往復運動すると、ピストン１に対して所定の位相差でディスプレイサ２が往復運動する。これにより、圧縮空間９と膨張空間１０との間を作動媒体が移動する逆スターリングサイクルが構成される。
【００３７】
上記のスターリング冷凍機４０のピストン１には、ディスプレイサ２とピストン１との間の圧縮空間９とシリンダ３の内周面とピストン１の外周面との間の隙間とを連通させる貫通孔１００が設けられている。また、ピストン１が往復運動を行なっているときには、圧縮空間９内のガスが貫通孔１００を介してシリンダ３の内周面とピストン１の外周面との間の隙間に向かって噴出される。それによって、ガスベアリングが形成される。
【００３８】
一般に、スターリング冷凍機の運転の開始時にはガスベアリングが機能しない。そのため、ガスベアリングによってピストン１とシリンダ３との接触が防止されているスターリング冷凍機４０をＯＮ／ＯＦＦ制御すると、ピストン１とシリンダ３とが接触する回数が増えることによって、シリンダ３およびピストン１のいずれかが損傷するおそれがある。
【００３９】
したがって、ＯＮ／ＯＦＦ制御をしない、すなわちスターリング冷凍機４０を停止させないように冷却庫２００を制御すれば、スターリング冷凍機４０の寿命を延ばすことが可能になる。
【００４０】
なお、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】
【００４１】
【図１】実施の形態の冷却庫の概略断面図である。
【図２】実施の形態の冷却庫の低温側の２次冷媒の循環経路を示す第１の図である。
【図３】実施の形態の冷却庫の低温側の２次冷媒の循環経路を示す第２の図である。
【図４】実施の形態の冷却庫の低温側の２次冷媒の循環経路を示す第３の図である。
【図５】実施の形態の冷却庫の低温側の２次冷媒の循環経路を示す第４の図である。
【図６】実施の形態のスターリング冷凍機の断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
３０  制御装置、４０  スターリング冷凍機、４１  蓄冷材、４２  バイパス配管(バイパス路)、３５，４５  切替弁（経路変更機構）、５０  蒸発器、６０  冷却ファン、７０  冷気流路、８０  ヒータ、９０  冷蔵室、９５  冷凍室、１００  冷却庫、１０５  断熱壁、１１２  凝縮器、３００  ループ配管。
【図１】
2005274009.tif 000003
【図２】
2005274009.tif 000004
【図３】
2005274009.tif 000005
【図４】
2005274009.tif 000006
【図５】
2005274009.tif 000007
【図６】
2005274009.tif 000008