(57)【要約】【課題】スターリング冷凍機の放熱部の温熱をブラインにより防露部に伝える冷却庫において、防露部に伝えられる熱量が自動的に適正範囲内に調整されるようにする。【解決手段】スターリング冷凍機２０はウォームヘッド２１とコールドヘッド２２を備え、コールドヘッド２２の冷熱により冷却庫１の庫内を冷却する。ウォームヘッド２１の温熱は高温側第１循環回路３０を通じて庫外に放熱され、また高温側第２循環回路５０を通じて冷却庫１の防露部５６に伝えられる。高温側第２循環回路５０には防露部５６の上流側に配管５３の本管５３Ｍと庫外放熱用バイパス管５７との並列区間が設けられ、本管５３Ｍと庫外放熱用バイパス管５７の入口部との分岐点には、本管５３Ｍと庫外放熱用バイパス管５７の流量比を変えて防露部５６に流入するブラインの温度を調節するサーモスタット弁５８が設けられる。【選択図】図２
2007333226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリング冷凍機のコールドヘッドの冷熱を低温側蒸発器を介して冷却空間に伝える低温側循環回路と、前記スターリング冷凍機のウォームヘッドの温熱を庫外に放熱する高温側第１循環回路と、前記温熱の一部を冷却庫の防露部に伝える高温側第２循環回路とを備えた冷却庫において、
前記高温側第２循環回路には、前記防露部の上流側に本管と庫外放熱用バイパス管との並列区間を設け、この並列区間には、前記本管と庫外放熱用バイパス管の流量比を変えて前記防露部に流入するブラインの温度を調節する調節弁を設けたことを特徴とする冷却庫。
【請求項２】
前記本管と前記庫外放熱用バイパス管の入口部との分岐点に設けられたサーモスタット弁が前記調節弁を構成することを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
【請求項３】
前記サーモスタット弁は、そこに到達したブラインの温度が設定値未満のときは前記庫外放熱用バイパス管を閉鎖し、ブライン温度が設定値以上になったとき庫外放熱用バイパス管を開放するものであることを特徴とする請求項２に記載の冷却庫。
【請求項４】
前記本管と前記庫外放熱用バイパス管の出口部との合流点に設けられたサーモスタット混合弁が前記調節弁を構成することを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
【請求項５】
前記本管と庫外放熱用バイパス管との並列区間では、本管よりも庫外放熱用バイパス管の方が流路抵抗小に設計されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却庫。
【請求項６】
前記庫外放熱用バイパス管に放熱板または放熱フィンが設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却庫。
【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の吸熱部で発生した冷熱によって庫内の冷却を行う冷却庫に関する。「冷却庫」とは、食品その他の物品の温度を下げる装置全般を指す概念であり、「冷蔵庫」「冷凍庫」「冷凍冷蔵庫」「ショーケース」といった商品としての名称を問わない。
【背景技術】
【０００２】
冷却庫の冷凍サイクルには特定フロン（CFC:chlorofluorocarbon）や代替フロン（HCFC:hydrochlorofluorocarbon、HFC:hydrofluorocarbon）が冷媒として使用されている。これらの冷媒のうちＣＦＣとＨＣＦＣは大気中に放出されると程度の差こそあれオゾン層の破壊につながるので、その生産及び使用は国際的な規制の対象となっている。また、オゾン層を破壊しないＨＦＣにも地球温暖化への寄与が大きいという問題がある。
【０００３】
そこで、冷媒としてオゾン破壊物質を使用しないスターリング冷凍機が脚光を浴びている。スターリング冷凍機ではヘリウム等の不活性ガスを作動媒体として使用し、外部動力によりピストンとディスプレーサを動作させて作動媒体の圧縮・膨張を繰り返し、ウォームヘッドの温度を高めるとともにコールドヘッドの温度を下げる。そしてウォームヘッドで周囲環境に放熱を行い、コールドヘッドで庫内から吸熱を行うものである。
【０００４】
スターリング冷凍機で放熱と吸熱を行うにあたっては、ブライン（熱輸送媒体に用いる液体）を利用することが多い。すなわちウォームヘッドには高温側蒸発器を取付け、その中のブラインを温熱で蒸発させる。蒸発したブラインは高温側凝縮器に送られ、そこで液化して高温側蒸発器に戻る。コールドヘッドには低温側凝縮器を取付け、その中のブラインを冷熱で凝縮させる。凝縮したブラインは低温側蒸発器に送られ、そこで気化して低温側凝縮器に戻る。
【０００５】
上記のようにブラインを循環させてスターリング冷凍機の温熱と冷熱を伝達する冷却庫の例を特許文献１に見ることができる。特許文献１にはウォームヘッドの温熱をブラインにより冷却室の開口部など結露防止の必要な箇所（防露部）に伝えてこの箇所の温度が結露点以下に下がらないようにした構成が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２００５６号公報（第５頁−第１２頁、図１−図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
スターリング冷凍機の負荷が大きくなると放熱量が増大し、放熱部の温度が上昇する。ブラインの受熱量も増大し、ブラインの温度が上昇する。このブラインが防露部に送られるとその箇所の温度が結露防止に必要な温度を大きく超えることがある。これは冷却庫内に対する熱負荷を増大させ、冷却効率を悪くする。かと言って、防露部の上流側に単に放熱部を設けてブラインの温度を下げるのでは、スターリング冷凍機の負荷が小さく放熱量が少ないときは防露部に流れ込むブラインの温度が結露防止に必要な温度を下回り、防露の役に立たない。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、スターリング冷凍機の放熱部の温熱をブラインにより防露部に伝える冷却庫において、防露部に伝えられる熱量が自動的に適正範囲内に調整されるようにしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）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のコールドヘッドの冷熱を低温側蒸発器を介して冷却空間に伝える低温側循環回路と、前記スターリング冷凍機のウォームヘッドの温熱を庫外に放熱する高温側第１循環回路と、前記温熱の一部を冷却庫の防露部に伝える高温側第２循環回路とを備えた冷却庫において、前記高温側第２循環回路には、前記防露部の上流側に本管と庫外放熱用バイパス管との並列区間を設け、この並列区間には、前記本管と庫外放熱用バイパス管の流量比を変えて前記防露部に流入するブラインの温度を調節する調節弁を設けたことを特徴としている。
【０００９】
この構成によると、高温側第２循環回路に本管と庫外放熱用バイパス管との並列区間を設け、本管を流れるブラインの流量と庫外放熱用バイパス管を流れるブラインの流量の比率を調節弁で変えて防露部に流入するブラインの温度を調節するものであるから、ブラインの温度を過度に上昇させず、設定範囲内に収めることができる。これにより、防露部の温度が必要以上に上昇することがなくなり、冷却庫は不必要な熱負荷を強いられない。
【００１０】
（２）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記本管と前記庫外放熱用バイパス管の入口部との分岐点に設けられたサーモスタット弁が前記調節弁を構成することを特徴としている。
【００１１】
この構成によると、調節弁の構成が簡単になり、機構の堅牢性や耐久性が向上し、製造コストも低減される。
【００１２】
（３）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記サーモスタット弁は、そこに到達したブラインの温度が設定値未満のときは前記庫外放熱用バイパス管を閉鎖し、ブライン温度が設定値以上になったとき庫外放熱用バイパス管を開放するものであることを特徴としている。
【００１３】
この構成によると、サーモスタット弁に到達したブラインの温度が設定値以上になったときは、そのブラインが庫外放熱用バイパス管に流され、冷却されるから、ブラインの温度を過度に上昇させず、設定範囲内に収めることができる。サーモスタット弁が本管を開閉するものであり、ブラインの温度が設定値以上になったとき本管を閉鎖する構成であると、ブライン温度が設定値未満のときもブラインの一部が庫外放熱用バイパス管に流れ、防露部に流入するブラインの温度が結露防止に不適なまでに低下するおそれがあるが、このようにブライン温度が高いときのみ庫外放熱用バイパス管を開放する構成としておけばその心配はない。
【００１４】
（４）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記本管と前記庫外放熱用バイパス管の出口部との合流点に設けられたサーモスタット混合弁が前記調節弁を構成することを特徴としている。
【００１５】
この構成によると、庫外放熱用バイパス管を通り温度の下がったブラインと、本管を通り温度のそれほど下がっていないブラインとをサーモスタット混合弁で混合し、適温のブラインとして防露部に送ることができる。混合弁がサーモスタット混合弁であるため、混合比を無電力で変更でき、ブラインの温度調整に電力供給や電気的な制御は不要である。
【００１６】
（５）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記本管と前記庫外放熱用バイパス管との並列区間では、本管よりも庫外放熱用バイパス管の方が流路抵抗小に設計されていることを特徴としている。
【００１７】
この構成によると、ブラインの温度を下げる必要があるとき、ブラインを確実に庫外放熱用バイパス管に流すことができる。
【００１８】
（６）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記庫外放熱用バイパス管に放熱板または放熱フィンが設けられていることを特徴としている。
【００１９】
この構成によると、庫外放熱用バイパス管の放熱効率が向上し、回路を長くしなくても所期の放熱量を確保できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、スターリング冷凍機のウォームヘッドの温熱の一部を冷却庫壁の防露部に伝える高温側第２循環回路に本管と庫外放熱用バイパス管との並列区間を設け、本管と庫外放熱用バイパス管の流量比を調節弁で変えて防露部に流入するブラインの温度を調節するものであるから、高温側第２循環回路を流れるブラインの温度が設定値以上になったとしても、それが防露部に流入する際には適温に調節されており、防露部の温度が必要以上に上昇することがない。従って冷却庫は不必要な熱負荷を強いられることがなく、結露を防止しつつ冷却効率の低下を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下本発明の第１実施形態を図１−３に基づき説明する。図１はスターリング冷凍機を構成要素とする冷却サイクルの斜視図、図２は冷却サイクルの概略構成図、図３は熱交換器の概略断面図である。
【００２２】
図１は冷却サイクルを冷却庫の背面側から見た状況を示す。冷却庫１の筐体１０は仮想線で表されているが、その背面上部の機械室１１だけは実線で描かれている。機械室１１の内部にはスターリング冷凍機２０が設置される。スターリング冷凍機２０は逆スターリングサイクルにより温熱と冷熱を発生するものであり、温熱は廃熱として主としてウォームヘッド２１（図２参照）から取り出され、冷熱はコールドヘッド２２から取り出される。
【００２３】
ウォームヘッド２１から温熱を放熱するのは高温側第１循環回路３０である。高温側第１循環回路３０はサーモサイフォン循環回路であり、ウォームヘッド２１に対し互いの間で熱を授受する状態、すなわち熱接続された状態で装着された高温側蒸発器３１と、スターリング冷凍機１の上に配置された高温側凝縮器３２と、高温側蒸発器３１と高温側凝縮器３２とを接続する配管３３を含む。高温側第１循環回路３０には水（水溶液を含む）あるいは炭化水素系のブラインが封入されている。
【００２４】
高温側蒸発器３１は銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属を中空のリング状に成形したものであり、ウォームヘッド２１の外周面に嵌合し、ウォームヘッド２１に熱接続される。高温側蒸発器３１の上面からは高温側凝縮器３２に接続する２本の配管が引き出される。一方の配管は蒸発して気体となったブラインを高温側凝縮器３２に送る気相配管３３Ｇである。他方の配管は高温側凝縮器３２で凝縮して液体となったブラインを高温側蒸発器３１に戻す液相配管３３Ｌである。
【００２５】
高温側凝縮器３２は、銅や銅合金といった熱伝導の良い金属材料からなるパイプ３２ａを折り曲げ、これに、同じく熱伝導の良い金属材料からなる多数の放熱フィン３２ｂを取り付けた構造である。高温側凝縮器３２には冷却用の送風機３４が組み合わせられている。
【００２６】
コールドヘッド２２には低温側循環回路４０が熱接続される。低温側循環回路４０は、コールドヘッド２２に対し互いの間で熱を授受する状態、すなわち熱接続された状態で装着された低温側凝縮器４１と、冷却庫の断熱筐体内に設置された低温側蒸発器４２と、低温側凝縮器４１と低温側蒸発器４２とを接続する配管４３を含む。低温側循環回路４０にはブラインとして二酸化炭素（ＣＯ２）などの自然冷媒を封入する。
【００２７】
低温側蒸発器４２も高温側凝縮器３２と同様、銅や銅合金といった熱伝導の良い金属材料からなるパイプ４２ａを折り曲げたうえで熱伝導の良い金属材料からなる多数の吸熱フィン４２ｂを取り付けた構造である。
【００２８】
高温側第１循環回路３０がウォームヘッド２１から取り出した温熱は防露部の結露防止にも利用される。これを実現するのが高温側第２循環回路５０である。
【００２９】
高温側第２循環回路５０は高温側第１循環回路３０の気相冷媒配管３３Ｇに熱交換器５１を介して熱接続されている。図３に見られるように、気相冷媒配管３３Ｇの一部にジャケット部５２を設け、その中に高温側第２循環回路５０の配管５３を通すことにより熱交換器５１が構成される。気化したブラインから多くの熱を受け取るよう、配管５３はジャケット部５２の内部で蛇行している。
【００３０】
高温側第２循環回路５０内にはブラインが非減圧状態で封入されている。ブラインとしては例えば水とエチルアルコールの混合液を用いる。
【００３１】
高温側第２循環回路５０の配管５３は、熱交換器５１を出た後、図１に示す経路をたどる。すなわち配管５３は気液分離器５４を経て循環ポンプ５５に入る。循環ポンプ５５を出た配管５３は機械室１１の底面を抜けて下り管５３Ｄとなり、筐体１０の背面壁の中を下降する。背面壁の下部に達した配管５３は筐体１０の右側壁（筐体１０の正面に正対した観察者の右側を筐体１０の右側、左側を筐体１０の左側と定義する）の下部に入り、前方に抜けて筐体１０の正面下部に達する。配管５３はそこで筐体１０の中央側へと折れ、筐体１０の中央の垂直仕切壁（後述のものも含め、仕切壁は図示しない）に達した後、垂直仕切壁の前縁のほぼ下半分と、筐体１０の左半分に冷凍室を区画する水平仕切壁の前縁、及び筐体１０の左側壁の下部を蛇行した後、左側壁の前縁を上昇し、そこから天井壁の前縁を左から右に抜け、さらに右側壁の前縁を下降する。右側壁の前縁を下降する途中で配管５３は、筐体１０の右半分に冷凍室を区画する水平仕切壁にも寄り道して蛇行する。右側壁の下部に達した配管５３は背面壁に入り、上り管５３Ｕとなって背面壁の中を上昇し、機械室１１に戻る。そして熱交換器５１に帰還する。
【００３２】
配管５３は、筐体１０の正面及び左右側壁では筐体１０の表面に近い箇所を通る。これらの箇所が図２に示す防露部５６となる。なお配管５３によって運ばれるスターリング冷凍機２０の廃熱は、防露部５６の結露防止だけでなく、低温側凝縮器４１の霜取りや、ドレンの蒸発促進などにも利用可能である。
【００３３】
配管５３によって運ばれる熱量はスターリング冷凍機２０の運転状況によって左右される。スターリング冷凍機２０の運転負荷が大きくなれば放熱量が増大し、配管５３が熱交換器５１で受け取る熱量も増大する。その結果、配管５３の中のブラインの温度が上昇する。温度の高いブラインが防露部５６に送られると、防露部５６の温度が結露防止に必要な温度を大きく超えることがある。これは冷却庫１の熱負荷を増大させ、冷却効率を悪くする。
【００３４】
そこで、温度の高すぎるブラインは温度を下げてから防露部５６に送り込む。そのため、高温側第２循環回路５０には、防露部５６より上流側に、配管５３の本管と庫外放熱用バイパス管５７の並列区間を設ける。具体的には、下り管５３Ｄの一部を配管５３の本管５３Ｍとし、これに庫外放熱用バイパス管５７の入口部と出口部を上下に間隔を置いて接続する。庫外放熱用バイパス管５７は筐体１０の背面壁の表面近くを蛇行し、その中を通るブラインの熱を庫外に放熱する。
【００３５】
本管５３Ｍと庫外放熱用バイパス管５７との並列区間には、本管５３Ｍを流れるブラインの流量と庫外放熱用バイパス管５７を流れるブラインの流量の比率を変える調節弁が設けられる。第１実施形態では、本管５３Ｍと庫外放熱用バイパス管５７の入口部との分岐点に設けられたサーモスタット弁５８が調節弁を構成する。
【００３６】
サーモスタット弁５８は、そこに到達したブラインの温度が設定値未満のときは庫外放熱用バイパス管５７を閉鎖し、ブライン温度が設定値以上になったとき庫外放熱用バイパス管５７を開放する。ブラインの温度が設定値以上になったことを感知すると、サーモスタット弁５８は庫外放熱用バイパス管５７の入口を開く。するとブラインの一部が庫外放熱用バイパス管５７を通って流れ、温度が低下した状態で高温側第２循環回路５０に戻る。
本管５３Ｍを流れ、余り温度の低下していないブラインと、庫外放熱用バイパス管５７を流れて温度が低下したブラインとが混じり合うことにより、防露部５６に入るブラインの温度は設定温範囲内に収まり、防露部５６には結露防止に必要十分な熱量が伝えられることになる。
【００３７】
スターリング冷凍機２０の運転負荷が減少し、循環ポンプ５５から吐出されるブラインの温度が設定値未満になったことを感知すると、サーモスタット弁５８は庫外放熱用バイパス管５７の入口を閉ざす。すると庫外放熱用バイパス管５７にはブラインが流れなくなり、ブラインの温度低下が抑制される。防露部５６に送り込まれるブラインの温度が低すぎて結露防止の用を成さないといった事態はこれによって回避される。
【００３８】
上記のようなブラインの自動温度調整は電力供給や電気的な制御を要しないサーモスタット弁５８によって行われるから、構造を複雑化させずに済む。また機構は堅牢で耐久性に優れるものとなる。
【００３９】
サーモスタット弁５８の使い方としては、それが本管５３Ｍを開閉し、ブラインの温度が設定値以上になったとき本管５３Ｍを閉鎖する構成とすることも不可能ではない。しかしながらこの場合庫外放熱用バイパス管５７が常時開放状態となるので、ブライン温度が設定値未満のときもブラインの一部が庫外放熱用バイパス管５７に流れ、防露部５６に流入するブラインの温度が結露防止に不適なまでに低下するおそれがある。第１実施形態のようにブライン温度が高いときのみ庫外放熱用バイパス管５７を開放する構成としておけばその心配はない。
【００４０】
本管５３Ｍと庫外放熱用バイパス管５７との並列区間では、本管５３Ｍよりも庫外放熱用バイパス管５７の方が流路抵抗小となるように設計すると良い。こうしておけば、ブラインの温度を下げる必要があるとき、ブラインを確実に庫外放熱用バイパス管５７に流すことができる。本管５３Ｍと庫外放熱用バイパス管５７の流路抵抗に差をつけるのは、例えば後者の管内径を前者の管内径より大にするといった手法で実現できる。
【００４１】
庫外放熱用バイパス管５７には放熱板または放熱フィンを設けておくと良い。このようにすれば庫外放熱用バイパス管５７の放熱効率が向上し、回路を長くしなくても所期の放熱量を確保できる。
【００４２】
第１実施形態では庫外放熱用バイパス管５７が開放された後もそれに並列な本管５３Ｍは開通を続けており、ブラインは両方の管に分かれて流れる。サーモスタット弁５８の構造を改め、庫外放熱用バイパス管５７が開通するのと入れ替わりに本管５３Ｍが閉じるようにしておいてもよい。このようにすれば、庫外放熱用バイパス管５７によるブラインの冷却は１００％確実に実行されることになる。
【００４３】
本発明の第２実施形態を図４に示す。図４は冷却サイクルの概略構成図である。
【００４４】
第２実施形態では、高温側第２循環回路５０の本管５３Ｍと庫外放熱用バイパス管５７の流量比を変える調節弁としてサーモスタット混合弁５９を用いる。サーモスタット混合弁５９は本管５３Ｍと庫外放熱用バイパス管５７の出口部との合流点に設けられる。
【００４５】
庫外放熱用バイパス管５７を通り温度の下がったブラインと、本管５３Ｍを通り温度のそれほど下がっていないブラインとをサーモスタット混合弁５９で混合し、適温のブラインとして防露部５６に送ることができる。サーモスタット混合弁５９も電力供給や電気的な制御は不要である。
【００４６】
以上、本発明の各実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は家庭用又は業務用の冷却庫に広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施形態に係る冷却サイクルの斜視図
【図２】第１実施形態に係る冷却サイクルの概略構成図
【図３】熱交換器の概略断面図
【図４】第２実施形態に係る冷却サイクルの概略構成図
【符号の説明】
【００４９】
１    冷却庫
１０  筐体
２０  スターリング冷凍機
２１  ウォームヘッド
２２  コールドヘッド
３０  高温側第１循環回路
３１  高温側蒸発器
３２  高温側凝縮器
４０  低温側循環回路
４１  低温側凝縮器
４２  低温側蒸発器
５０  高温側第２循環回路
５１  熱交換器
５３  配管
５３Ｍ  本管
５５  循環ポンプ
５６  防露部
５７  庫外放熱用バイパス管
５８  サーモスタット弁
５９  サーモスタット混合弁
【図１】
2007333226.tif 000003
【図２】
2007333226.tif 000004
【図３】
2007333226.tif 000005
【図４】
2007333226.tif 000006