(57)【要約】      （修正有）【課題】スターリング冷凍機の運転制御用のコールドヘッド温度センサを蒸発器の除霜の制御にも用いることにより、効率的な動作制御が可能な冷却庫を提供する。【解決手段】スターリング冷凍機１００と、閉ループ状の配管内部に二次冷媒を密封し、閉ループの上端部はコールドヘッド１４１を取り巻き、下端部は冷却庫の筐体１０の内部に入り込む二次冷媒回路５０と、多数の冷却フィンを並べて取り付けてなる蒸発器５１と、蒸発器５１の周囲に得られる冷気を庫内空間に送る送風機と、蒸発器５１を除霜するための除霜ヒータ６０とを備え、蒸発器５１の除霜運転時に、スターリング冷凍機１００及びファンを停止し、除霜ヒータ６０を通電する冷却庫１において、コールドヘッドの温度を検知するコールドヘッド温度センサ１６０の検知結果に基づき蒸発器５１の除霜運転の開始及び終了のタイミングを推定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コールドヘッドを有するスターリング冷凍機と、
前記コールドヘッドに取着された凝縮器と冷却庫内部に配設された蒸発器とを閉ループに配管しサーモサイフォンを構成してなる二次冷媒回路と、
前記蒸発器を除霜するための除霜ヒータと、
前記コールドヘッド部の温度を検知するコールドヘッド部温度センサと、
該コールドヘッド部温度センサの検知に基づいて前記スターリング冷凍機の運転制御を行うと共に前記蒸発器の除霜制御を行う制御手段とを備え、前記コールドヘッド部温度センサの検知に基づき少なくとも前記蒸発器の除霜終了のタイミングを推定することを特徴とする冷却庫。
【請求項２】
除霜終了から前記コールドヘッド部が所定温度になるまでの間は、庫内冷気循環用の送風機を停止したまま前記スターリング冷凍機を運転することを特徴とする請求項１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を備えた冷却庫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
まず、フリーピストン型と称されるスターリング冷凍機の動作を、図６に基づき説明する。図６は、スターリング冷凍機の断面図である。スターリング冷凍機１００は、概略的には、リニアモータ１２０、シリンダ１１０、ピストン１１２、シリンダ１１１、ディスプレーサ１１３及び再生器１４７をキャップ状の圧力容器１５０、ウォームヘッド１４０、再生器チューブ１４８及びコールドヘッド１４１によって覆った構成となっている。リニアモータ１２０のコイル１２１に交流電圧を供給すると、所定の周期でピストン１１２はシリンダ１１０内で滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。ピストン１１２を往復運動させると、圧縮空間１４５は圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴って、ディスプレーサ１１３もシリンダ１１１内で往復運動を行う。このとき、圧縮空間１４５と膨脹空間１４６との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ１１３とピストン１１２との間に位相差が生じる。かくしてフリーピストン構造のディスプレーサ１１３は、ピストン１１２と所定の位相差をもって同期振動する。
【０００３】
このような動きにより、圧縮空間１４５と膨脹空間１４６との間にスターリングサイクルが形成される。圧縮空間１４５では等温圧縮変化に基いて冷媒の温度が上昇し、膨脹空間１４６では等温膨脹変化に基づいて冷媒の温度が低下する。このため、圧縮空間１４５の温度は上昇し、膨張空間１４６の温度は下降する。そして、ウォームヘッド１４０より熱を周囲の空気に放散し、コールドヘッド１４１で周囲の空気から熱を奪うことにより、スターリング冷凍機１００は冷凍機関としての機能を果たす。この結果、コールドヘッド１４１は冷却され、ウォームヘッド１４０は加熱される。
【０００４】
スターリング冷凍機は、起動時にいきなりリニアモータ１２０に定格電圧を供給すると、ピストン１１２が大きく振動し、ピストン１１２とディスプレーサ１１３が衝突する虞がある。そこで、特許文献１に記載されているように、ウォームヘッド１４０及びコールドヘッド１４１にそれぞれ図示しない温度センサを装着し、図示しないマイコンからなる制御部に接続することでスターリング冷凍機１００の停止中のウォームヘッド１４０及びコールドヘッド１４１の温度を測定し、制御部によりその温度差を算出し、その大小により起動時から安定期になるまでの入力電力を調整するようにしている。
【０００５】
そして、このようなフリーピストン型スターリング冷凍機を搭載した冷蔵庫の例として、特許文献２には、コールドヘッドに取着した凝縮器とスターリング冷凍機の下方に配置した庫内側の蒸発器とをサーモサイフォン（自然循環）を利用した二次冷媒回路で連結し、蒸発器で二次冷媒が蒸発されるときに得られる冷気で庫内を冷却することが記載されている。
【０００６】
ここで、蒸発器には庫内の空気中の水分が凝縮し、大量の霜が付着する。放っておくと蒸発器性能が低下するので、必要に応じて蒸発器を除霜することが必要である。この場合、除霜終了のタイミングを決定するために蒸発器温度センサが必要なことは特許文献を開示するまでもないことである。
【特許文献１】特開２００２−１９５６７４号公報
【特許文献２】特開２００２−２２１３８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の如く、フリーピストン型スターリング冷凍機を搭載した冷蔵庫においては、庫内温度制御用の温度センサ及び除霜制御用の温度センサの外にスターリング冷凍機制御用の温度センサが必要であり、部品コスト、製造コストのアップ要因となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明は、コールドヘッドを有するスターリング冷凍機と、
前記コールドヘッド部に取着された凝縮器と冷却庫内部に配設された蒸発器とを閉ループに配管しサーモサイフォンを構成してなる二次冷媒回路と、
前記蒸発器を除霜するための除霜ヒータと、
前記コールドヘッド部の温度を検知するコールドヘッド部温度センサと、
該コールドヘッド部温度センサの検知に基づいて前記スターリング冷凍機の運転制御を行うと共に前記蒸発器の除霜制御を行う制御手段とを備え、前記コールドヘッド部温度センサの検知に基づき少なくとも前記蒸発器の除霜終了のタイミングを推定することを特徴とする。
【０００９】
即ち、コールドヘッド部に取着された凝縮器と蒸発器とがサーモサイフォンを構成しているので、蒸発器の除霜による温度上昇を凝縮器の温度上昇すなわちコールドヘッド部の温度上昇で検知することができ、前記コールドヘッド部温度センサを除霜制御用の温度センサとして利用することができる。従って、除霜制御用の温度センサを無くすことができコストダウンが図れる。
【００１０】
そして、除霜終了から前記コールドヘッド部が所定温度になるまでの間は、庫内冷気循環用の送風機を停止したまま前記スターリング冷凍機を運転することにより、庫内空間の温度上昇をできるだけ少なくすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、スターリング冷凍機の運転制御に用いられるコールドヘッド部温度センサにて除霜制御用温度センサを兼用でき、蒸発器除霜用の温度センサが不要となる。従って、コストダウンを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。図１は冷却庫の部分垂直断面図、図２はスターリング冷凍機と二次冷媒回路との組み合わせ状況を示す正面図である。
【００１３】
冷却庫１は食品保存用であり、断熱構造の筐体１０を備える。筐体１０の正面（図１において左側）は全面的に開口部となっており、この開口部を開閉自在な扉１１が閉ざす。扉１１も断熱構造である。冷却庫１の庫内空間１２は複数の棚板１３により上下複数段に区画される。
【００１４】
筐体１０の上部には、筐体上面と筐体背面のなす角部に冷凍機収納凹部３０が形設され、その中にスターリング冷凍機１００が設置される。架台３１がスターリング冷凍機１００を支持する。
【００１５】
スターリング冷凍機１００のウォームヘッド１４０には二次冷媒回路４０が組み合わせられ、コールドヘッド１４１には二次冷媒回路５０が組み合わせられる（図２参照）。
【００１６】
二次冷媒回路４０は銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属からなるパイプを閉ループ状にしたものであり、一部はウォームヘッド１４０を取り巻き、他の一部はスターリング冷凍機１００の圧力容器１５０の上に延び出す。圧力容器１５０の上に延び出した部分に、多数の放熱フィン４２を並べた放熱器４１が取り付けられている。放熱フィン４２も熱伝導の良い金属からなる。二次冷媒回路４０の内部には水などの二次冷媒が密封されている。
【００１７】
二次冷媒回路５０も銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属からなるパイプを閉ループ状にしたものであり、一部はコールドヘッド１４１を取り巻き、他の一部は筐体１０の内部に入り込む。筐体１０の内部に入り込んだ部分に、多数の冷却フィン５２を並べた蒸発器５１を取り付ける。冷却フィン５２も熱伝導の良い金属からなる。二次冷媒回路５０の内部にはＣＯ2などの二次冷媒が密封されている。
【００１８】
冷凍機収納凹部３０の背面と左右側面はカバー３２により、上面は天板３３により、それぞれ覆われる。天板３３は筐体１０の上面と所定間隔を隔てて対峙する。この間隔が通風経路３４となる。カバー３２には排気口３５が形設される。排気口３５にはパンチングメタル、金網、格子などからなる侵入防止手段が取り付けられる。
【００１９】
通風経路３４と排気口３５を連結するダクト３６が設けられ、その中に放熱器４１が入れられる。放熱器４１の前面側にはプロペラファンとこれを回転させるモータからなる送風機３７が設置される。
【００２０】
冷却庫１の庫内空間１２には、背面側の内壁に沿って垂直方向に延びるダクト１５、１６が設けられる。ダクト１５は奥側に位置し、ダクト１６はその手前側に位置する。ダクト１５は庫内空間１２の途中までの高さで終わるが、ダクト１６は急速冷凍室１４まで続く。
【００２１】
ダクト１５の下端には庫内空間１２から庫内空気を吸い込む吸気口１７が設けられ、上端にはダクト１６に空気を吹き出す送風機１８が設けられる。送風機１８は送風機３７と同様の構造である。吸気口１７と送風機１８の間に蒸発器５１が設置される。送風機１８の運転により吸気口１７から吸い込まれた空気は、蒸発器５１を通過する際に温度を奪われ、冷気となる。
【００２２】
送風機１８によりダクト１６に吹き出された冷気はダクト１６の中を上下に分かれて進み、区画毎に設けられた吹出口１９から庫内空間１２に吹き出される。急速冷凍室１４にも吹出口１９が設けられている。
【００２３】
続いて冷却庫１の動作を説明する。スターリング冷凍機１００が駆動されると、ウォームヘッド１４０は温度が上昇し、コールドヘッド１４１は温度が低下する。
【００２４】
二次冷媒回路４０内の二次冷媒はウォームヘッド１４０の熱により気化し、放熱器４１に熱を伝達する。スターリング冷凍機１００と共に送風機３７が駆動され、通風経路３４から放熱器４１を通り、排気口３５から排出される強制空冷気流が形成される。強制空冷気流により、放熱器４１の熱は速やかに大気中に放散される。二次冷媒は放熱器４１で熱を奪われて凝縮し、重力によってウォームヘッド１４０のレベルまで流下する。このように二次冷媒回路４０内の二次冷媒は気化と凝縮を繰り返して循環し、ウォームヘッド１４０の熱を放熱器４１に伝達する。
【００２５】
二次冷媒回路５０内の二次冷媒はコールドヘッド１４１の冷熱により凝縮して蒸発器５１に流下する。スターリング冷凍機１００と共に送風機１８が駆動され、吸気口１７から蒸発器５１を経てダクト１６内に排出される空気流が形成される。蒸発器５１を通過するとき、空気は熱を奪われて冷気となる。逆に二次冷媒回路５０内の二次冷媒は蒸発器５１から熱を与えられて気化し、コールドヘッド１４１のレベルまで上昇する。このように二次冷媒回路５０内の二次冷媒は凝縮と気化を繰り返して循環し、コールドヘッド１４１の冷熱を蒸発器５１に伝達する。蒸発器５１表面には、空気中の水分が凝縮して霜が付着するため、蒸発器５１の直下には除霜ヒータ６０が設置されている。除霜ヒータ６０は、必要に応じて通電され、発熱して空気を加熱し上方にある蒸発器５１に付着した霜を溶かして除去する。
【００２６】
ダクト１６内に送り込まれた冷気は各所の吹出口１９から吹き出し、庫内空間１２の各区画を冷却する。冷気は棚板１３及び食品冷却トレイ６０と扉１１との隙間を通って吸気口１７に戻る。このようにして、庫内空間１２に冷気の循環が形成される。
【００２７】
冷却庫１には、以下の３つの運転モードがある。スターリング冷凍機１００を駆動するととともに、送風機１８を運転することにより上記のように庫内空間１２内を冷却する冷却運転、スターリング冷凍機１００及び送風機１８を停止し、除霜ヒータ６０を通電することにより、蒸発器５１の除霜を行う除霜運転、及び除霜後除霜ヒータ６０の通電を停止し高温になった蒸発器５１が充分に冷えるまで送風機１８を停止したままスターリング冷凍機１００を運転する慣らし運転である。
【００２８】
図３は、冷却庫の概略的な制御ブロック図である。制御部６１には、コールドヘッド温度センサ１６０が検知したコールドヘッド１４１の温度情報が入力される。運転モード記憶部６２は、ＥＥＰＲＡＭ等の書き換え可能なメモリからなり、制御部６１によって現在の運転モード（上記３つの運転モードのいずれか）が記憶され、必要に応じて読み出されるようになっている。一方、設定温度記憶部６３は、ＲＯＭ等の読み出し専用メモリからなり、運転モードに対応したコールドヘッド１４１の温度の基準値（すなわち、冷却運転に対して第１の設定温度Ｔ１、除霜運転に対して第２の設定温度Ｔ２、慣らし運転に対して第３の設定温度Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ３＜Ｔ２））が格納されている。
【００２９】
制御部６１は、各種情報に基づき条件を判断して上記運転モードの切換を行うが、このとき温度情報としてはコールドヘッド温度センサ１６０が検知するコールドヘッド１４１の温度情報のみを判断の要素とし、該温度情報に基づき蒸発器５１の除霜運転の開始と終了のタイミングを推定している。従って、蒸発器５１の除霜運転の開始及び終了のタイミング制御に、スターリング冷凍機１００の運転制御に用いられるコールドヘッド温度センサ１６０が兼用でき、蒸発器専用の温度センサ（図７の符号２０参照）が不要となる。
【００３０】
図４は、冷却庫動作時のコールドヘッド１４１の温度の時間変化の一例を示す図であり、図５は、冷却庫運転モードの切換え動作の一例を示すフローチャートである。冷却運転時、蒸発器５１の温度はほぼ一定の低温で推移している（ステップ＃１の否定判定）が、蒸発器５１へ霜が付着してくると、熱交換効率が低下し、二次冷媒回路５０内の冷媒循環が鈍り、コールドヘッド１４１の冷熱が充分に搬送されず、コールドヘッド１４１の温度の低下が始まる。
【００３１】
そして、コールドヘッド１４１の温度が低下していき、第１の設定温度Ｔ１に達すると（ステップ＃１の肯定判定）、運転モード記憶部６２に記憶された運転モードを除霜運転に更新して（ステップ＃２）、冷却庫１を除霜運転で動作させる。すなわち、送風機１８を停止し（ステップ＃３）、スターリング冷凍機１００を停止し（ステップ＃４）、除霜ヒータ６０の通電を行う（ステップ＃５）。この除霜運転の間（ステップ＃６の否定判定）、スターリング冷凍機１００は停止されているので、コールドヘッド１４１の温度は急激に上昇していく。
【００３２】
そして、コールドヘッド１４１の温度が上昇していき、第２の設定温度Ｔ２に達すると（ステップ＃６の肯定判定）、運転モード記憶部６２に記憶された運転モードを慣らし運転に更新して（ステップ＃７）、冷却庫１を慣らし運転で動作させる。すなわち、スターリング冷凍機１００を起動し（ステップ＃８）、除霜ヒータ６０の通電を停止する（ステップ＃９）。この慣らし運転では、送風機１８は停止されており、蒸発器５１が充分に冷えるまで除霜直後の高温になった蒸発器５１の周辺空気が冷却空間１２内に送られることがなく、冷却空間１２内の貯蔵食品を傷める心配がない。この慣らし運転の間（ステップ＃１０の否定判定）、スターリング冷凍機１００は運転されているので、コールドヘッド１４１の温度は急激に低下していく。
【００３３】
そして、コールドヘッド１４１の温度が低下していき、第３の設定温度Ｔ３に達すると（ステップ＃１０の肯定判定）、運転モード記憶部６２に記憶された運転モードを冷却運転に更新して（ステップ＃２）、冷却庫１を再び冷却運転で動作させる。すなわち、送風機１８の運転を再開する（ステップ＃１２）。その後、ステップ＃１に戻り、上記を繰り返す。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】は、本発明に係る冷却庫の部分垂直断面図である。
【図２】は、スターリング冷凍機と二次冷媒回路との組み合わせ状況を示す正面図である。
【図３】は、冷却庫の概略的な制御ブロック図である。
【図４】は、冷却庫動作時のコールドヘッドの温度の時間変化の一例を示す図である。
【図５】は、冷却庫運転モードの切換え動作の一例を示すフローチャートである。
【図６】は、スターリング冷凍機の断面図である。
【図７】は、従来の冷却庫の部分垂直断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    冷却庫
１０  筐体
１１  扉
１２  庫内空間
１５、１６  ダクト
１８  送風機
２０  蒸発器温度センサ
２１  冷却空間温度センサ
４０  二次冷媒回路
４１  放熱器
５０  二次冷媒回路
５１  蒸発器
６０  除霜ヒータ
１００  スターリング冷凍機
１４０  ウォームヘッド
１４１  コールドヘッド
１６０  コールドヘッド温度センサ
【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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