(57)【要約】【課題】スターリング冷凍機の生成した廃熱の一部を冷却庫壁の要防露部に伝える構成の冷却庫において、スターリング冷凍機が停止している間も結露を防止できるようにする。【解決手段】スターリング冷凍機５０のコールドヘッド５２の冷熱は低温側循環回路７０により断熱筐体１０内の冷却空間に伝えられる。またスターリング冷凍機５０のウォームヘッド５１の温熱は高温側第１循環回路６０によって冷却庫機外に放熱される。温熱の一部は高温側第２循環回路１００を介して冷却庫壁の要防露部１２０に伝えられる。高温側第２循環回路１００には、その中に封入された二次冷媒を循環させる循環ポンプ１００と、外部に露出した熱交換部１０３とが設けられており、制御部１３は低温側循環回路７０の除霜時にスターリング冷凍機５０の運転を停止する一方、循環ポンプ１１０の運転は続行する。【選択図】図２
2007183063.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壁の要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循環回路内に封入された冷媒を、外部に露出した熱交換部を通して循環させる循環ポンプを設け、前記低温側蒸発器の除霜時に前記循環ポンプを運転することを特徴とする冷却庫。
【請求項２】
前記高温側第２循環回路の中で、前記要防露部の下流側に前記熱交換部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
【請求項３】
前記熱交換部はドレン皿内のドレンと熱交換するものであることを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
【請求項４】
前記熱交換部を通じて送風する送風機を設け、除霜期間中、前記循環ポンプと共に前記送風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。
【請求項５】
前記送風機が、前記高温側第１循環回路の放熱用に設けられたものであることを特徴とする請求項４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搭載した冷却庫に関する。「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（放熱部）の温度を高めるとともにコールドヘッド（吸熱部）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、サーモサイフォン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、その中の二次冷媒を温熱で蒸発させる。蒸発した二次冷媒は高温側凝縮器に送られ、そこで液体に復元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、その中の二次冷媒を冷熱で凝縮させる。凝縮した二次冷媒は低温側蒸発器に送られ、そこで気体に復元して低温側凝縮器に戻る。
【０００５】
上記のようにサーモサイフォンを利用し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。また特許文献１の冷却庫では、スターリング冷凍機から温熱を受け取った冷媒を配管により冷却庫壁の要防露部（冷却室の開口部）に導き、要防露部の温度が結露点以下に下がらないようにしている。
【特許文献１】特開２００４−２００５６号公報（［００２９］−［００５２］、図１、２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
冷却庫一般について言えることであるが、庫内を冷却する低温側蒸発器には霜が付着する。霜は時間の経過と共に厚みを増し、冷却能力を低下させる。そのため、定期的に冷凍機の運転を止めて除霜しなければならない。
【０００７】
冷凍機としてスターリング冷凍機を用いている場合、運転停止中は温熱も冷熱も産出しない。従って、特許文献１記載の冷却庫のように温熱で要防露部を温めているものでは、除霜期間（６０〜９０分を費やす）の間に要防露部が次第に冷えて行く。特に、冷凍室のような温度の低い冷却空間の開口部だと簡単に結露点を下回ってしまう。除霜の度毎に結露が生じていたのでは発錆も早くなり、商品価値が損なわれる。
【０００８】
本発明は上記の問題に対処するためになされたもので、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要防露部に伝える構成の冷却庫において、スターリング冷凍機の停止期間中も結露防止が可能となる構造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】
【０００９】
（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壁の要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循環回路内に封入された冷媒を、外部に露出した熱交換部を通して循環させる循環ポンプを設け、前記低温側蒸発器の除霜時に前記循環ポンプを運転することを特徴としている。
【００１０】
この構成によると、スターリング冷凍機のウォームヘッドの温熱を放熱していない状況であっても、循環ポンプを運転することにより高温側第２循環回路内の冷媒が流動し、熱交換部で外気の熱を取り込む。その熱が要防露部に伝わるので、要防露部の温度が結露点以下に下がる時点が遅れる。あるいは結露点以下に下がることが防止される。
【００１１】
（２）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記高温側第２循環回路の中で、前記要防露部の下流側に前記熱交換部が形成されていることを特徴としている。
【００１２】
この構成によると、スターリング冷凍機の運転中、高温側第２循環回路内の冷媒は最初に要防露部に温熱を伝えてから熱交換部を通るので、要防露部を確実に加熱することができる。
【００１３】
（３）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記熱交換部はドレン皿内のドレンと熱交換するものであることを特徴としている。
【００１４】
この構成によると、ドレンの保有する熱を要防露部に伝えて結露防止を行うことができる。液体であるドレンと熱交換を行うので熱交換効率が良い。
【００１５】
（４）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記熱交換部を通じて送風する送風機を設け、除霜期間中、前記循環ポンプと共に前記送風機を運転することを特徴としている。
【００１６】
この構成によると、熱交換部を単に露出させるだけでなく、熱交換部を通じて送風を行うことにより、外気の持つ熱を積極的に高温側第２循環回路に受熱させ、要防露部に伝える温熱を確保することができる。
【００１７】
（５）また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記送風機が、前記高温側第１循環回路の放熱用に設けられたものであることを特徴としている。
【００１８】
この構成によると、高温側第１循環回路の放熱用に設けられた送風機を高温側第２循環回路の受熱用に兼用するから、送風機を追加配備するコストが不要となる。また、スターリング冷凍機の運転中は高温側第１循環回路からの放熱を高温側第２循環回路に受熱させ、高温側第２循環回路内の冷媒を十分に加温することができる。
【発明の効果】
【００１９】
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を放熱していない状況であっても、それ以外の熱源から高温側第２循環回路に温熱を取り込み、要防露部の結露を抑制ないし防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の第１実施形態を図１−５に基づき説明する。図１は冷却庫の垂直断面図、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、図４は高温側第２循環回路の経路を説明する斜視図、図５は高温側第１循環回路の蒸発器の断面図である。
【００２１】
冷却庫１は食品保存用であり、ベース１２によって床上に支えられる断熱筐体１０が本体を構成する。断熱筐体１０の内部の冷却空間は水平仕切壁１１により上下２段に仕切られ、上段は冷蔵室２０、下段は冷凍室３０という設定になっている。冷蔵室２０と、冷凍室３０とは、共に前面（図１において左側）が食品を出し入れするための開口部となっていて、この開口部を断熱扉２１、３１が閉ざす。
【００２２】
断熱筐体１０の背面部には機械室４０が形成される。機械室４０は板金製の部品を組み合わせて構成された直方体形状の構造物であり、背面側が開口している。この機械室４０の中にスターリング冷凍機５０が設置される。機械室４０は冷蔵室２０と冷凍室３０の間の高さに置かれている。
【００２３】
スターリング冷凍機５０を設置した後、機械室４０の背面側開口を蓋４４で閉ざす。蓋４４には、後述する高温側凝縮器を冷却する空気を取り入れるための通風口４５と、高温側凝縮器から熱を奪った空気を排出するための開口４７が形成されている。
【００２４】
スターリング冷凍機５０は逆スターリングサイクルにより温熱と冷熱を生成するものであり、温熱は廃熱として主としてウォームヘッド５１（図２参照）から放熱され、冷熱はコールドヘッド５２から取り出される。
【００２５】
ウォームヘッド５１から温熱を放熱するのは高温側第１循環回路６０である。高温側第１循環回路６０は高温側蒸発器６１と高温側凝縮器６２を冷媒配管で接続した密閉系の中に液状の二次冷媒６３（図５参照）を封入したものである。二次冷媒６３は水（水溶液を含む）あるいは炭化水素系の冷媒からなる。
【００２６】
高温側蒸発器６１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５１の外周面に嵌合し、ウォームヘッド５１に熱接続される。高温側蒸発器６１の上面からは高温側凝縮器６２に接続する２本の冷媒配管が引き出される。一方の冷媒配管は蒸発して気体となった二次冷媒６３を高温側凝縮器６２に送る気相冷媒配管６４Ｇである。他方の冷媒配管は高温側凝縮器６２で凝縮して液体となった二次冷媒６３を高温側蒸発器６１に戻す液相冷媒配管６４Ｌである。
【００２７】
高温側凝縮器６２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６２ａを折り曲げ、これに、同じく熱伝導の良い金属からなる多数の放熱フィン６２ｂを取り付けた構造である。高温側凝縮器６２の一端には気相冷媒配管６４Ｇが接続され、他端には液相冷媒配管６４Ｌが接続される。
【００２８】
コールドヘッド５２には低温側凝縮器７１が取り付けられる。コールドヘッド５２と低温側凝縮器７１は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にある。
【００２９】
冷凍室３０の奥には庫内を冷却する庫内冷却器としての役割を果たす低温側蒸発器７２が設置される。低温側凝縮器７１と低温側蒸発器７２とは冷媒配管で接続され、低温側循環回路７０を構成する。低温側循環回路７０にはＣＯ２などの自然冷媒を封入する。
【００３０】
低温側蒸発器７２も、高温側凝縮器６２と同様、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７２ａを折り曲げたうえで熱伝導の良い金属からなる多数の吸熱フィン７２ｂを取り付けた構造である。低温側蒸発器７２には除霜ヒータ７３が付設される。
【００３１】
冷却ダクト８０の下端には冷凍室３０から庫内空気を吸い込む吸気口８２が設けられる。吸気口８２の上方には低温側蒸発器７２が設置され、さらにその上方には、冷却ダクト８１に空気を吹き出す送風機８３が設けられる。
【００３２】
スターリング冷凍機５０を運転すると、ウォームヘッド５１は高温となり、コールドヘッド５２は低温となる。ウォームヘッド５１の熱は外部に放熱すべき廃熱であるが、これは高温側第１循環回路６０の二次冷媒６３を蒸発させて二次冷媒６３の気体の中に潜熱として内在した後、高温側凝縮器６２の中で二次冷媒６３が凝縮することにより顕熱として解放され、環境中に放熱される。
【００３３】
コールドヘッド５２の冷熱は低温側循環回路７０を介して低温側蒸発器７２に伝えられる。送風機８３を運転すると、冷却ダクト８０の下端の吸気口８２から冷凍室３０の中の空気が吸い込まれ、低温側蒸発器７２を通過する。また前記図示しない戻りダクトを通じ、冷蔵室２０の中の空気が冷却ダクト８０に吸い込まれ、同じく低温側蒸発器７２を通過する。低温側蒸発器７２を通過する際に空気は冷却されて冷気となる。
【００３４】
冷気は送風機８３により冷却ダクト８１に吹き込まれ、冷却ダクト８１の上方部分（水平仕切壁１１より上の部分）に設けられた吹出口８４を通じて冷蔵室２０に、また冷却ダクト８１の下方部分（水平仕切壁１１より下の部分）に設けられた吹出口８５を通じて冷凍室３０に、それぞれ送り込まれる。このようにして冷蔵室２０及び冷凍室３０にはそれぞれ所定量の冷気が送り込まれ、所定の温度に冷却される。断熱筐体１０の背面上部に設置された制御部１３が上記の運転制御を司る。
【００３５】
高温側第１循環回路６０がウォームヘッド５１から取り出した温熱は要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１００である。
【００３６】
高温側第２循環回路１００は高温側第１循環回路６０の気相冷媒配管６４Ｇに熱交換器１０１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６４Ｇの一部にジャケット部１０２を設け、その中に高温側第２循環回路１００の配管を通すことにより熱交換器１０１が構成される。気化した二次冷媒６３から多くの熱を受け取るよう、高温側第２循環回路１００はジャケット部１０２の内部で蛇行している。
【００３７】
高温側第２循環回路１００内には液体冷媒が非減圧状態で封入されている。液体冷媒としては例えば水８５％、エチルアルコール１５％の混合液を用いる。
【００３８】
高温側第２循環回路１００は、熱交換器１０１を出た後、図４に示す経路をたどる。すなわち高温側第２循環回路１００は機械室４０の底面を抜け、断熱筐体１０の底部へと向かった後方向を変え、冷凍室３０の開口部左縁下端に至る。高温側第２循環回路１００はそこから冷凍室３０の開口部を左縁→上縁とたどり、それに続いて冷蔵室２０の開口部を下縁→左縁→上縁→右縁と一巡する。それから高温側第２循環回路１００は冷凍室３０の右縁→下縁とたどった後、断熱筐体１０の底壁の下に出る。ここで高温側第２循環回路１００は蛇行し、外部に露出した熱交換部１０３を構成する。その後高温側第２循環回路１００は断熱筐体１０の中に戻り、循環ポンプ１１０を経て熱交換器１０１に戻る。
【００３９】
この実施形態における要防露部は冷蔵室２０と冷凍室３０の開口部である。図２では破線の矩形により要防露部１２０を象徴する。
【００４０】
冷却庫１の運転を続けていると、庫内の空気中の水分が霜となって低温側蒸発器７２に付着する。霜は低温側蒸発器７２の熱交換効率を低下させるので、制御部１３は適宜のタイミングでスターリング冷凍機５０の運転を停止し、除霜ヒータ７３に通電して除霜を行う。霜が溶けて生じたドレンは冷却ダクト８０の底部のドレン受け１２０に受けられ、そこから排水管１２１を通じて庫外に排水される。
【００４１】
断熱筐体１０の底壁の下には排水管１２１から滴下するドレンを貯留するドレン皿１３０が設置される。ドレン皿１３０は、中に溜まったドレンを捨てるため、冷却庫１の前面側から引き出せるようになっている。
【００４２】
ドレン皿１３０の下面は熱交換部１０３に接する。スターリング冷凍機５０の運転中は、高温側第２循環回路１００内の二次冷媒が運んでくる温熱によりドレン皿１３０及びその中のドレンは加熱され、温度上昇する。このため、ドレンの蒸発が促進され、ドレンを捨てる手間を減らすことができる。
【００４３】
前述の通り、低温側循環回路７０の構成要素である低温側蒸発器７２の除霜時には制御部１３はスターリング冷凍機５０の運転を停止する。そのため、それまで加熱されていた要防露部１２０は次第に冷えてくる。一方で制御部１３は、循環ポンプ１１０の運転は続行する。これにより高温側第２循環回路１００内の二次冷媒が流動し、熱交換部１０３で外部と熱交換する。第１実施形態の場合、機外の大気と、ドレン皿１３０内のドレンが熱交換部１０３の熱交換対象となる。
【００４４】
大気とドレンから得られる温熱が要防露部１２０にもたらされるため、要防露部１２０の温度が結露点以下に低下する時点を遅らせることができる。これにより、要防露部１２０の結露は抑制ないし防止される。
【００４５】
熱交換部１０３は要防露部１２０の下流側に形成されている。そのため、スターリング冷凍機５０の運転中、高温側第２循環回路１００内の二次冷媒は最初に要防露部１２０に温熱を伝えてから熱交換部１０３を通ることになり、要防露部１２０は確実に加熱される。
【００４６】
また熱交換部１０３はドレン皿１３０内のドレンと熱交換するものであるから、ドレンの保有する熱を有効活用できる。低温側蒸発器７２に付着した霜や氷が融けたばかりのドレンは低温であるが、時間をかけてドレン皿１３０に溜まって行く間に外気温に準ずる程度に温度が上昇するので、熱源として十分利用可能となる。液体であるドレンと熱交換を行うので熱交換効率も良い。なお第１実施形態ではドレン皿１３０の下面に熱交換部１０３を接触させてドレンと熱交換を行っているが、ドレンの中に熱交換部１０３を浸漬する構成も可能である。
【００４７】
本発明の第２実施形態を図６に示す。図６は冷却サイクルの概略構成図である。
【００４８】
第２実施形態の特徴とするところは、熱交換部１０３に対し、熱交換部１０３を通じて送風する送風機１０４を設け、除霜期間中、循環ポンプ１１０と共に送風機１０４を運転するようにした点にある。このように熱交換部１０３を単に外部に露出させるだけでなく、熱交換部１０３を通じて送風を行うことにより、外気の持つ熱を積極的に高温側第２循環回路１００に受熱させ、要防露部１２０に伝える温熱を確保することができる。高温側凝縮器６２や低温側蒸発器７２と同様、熱交換部１０３にフィンを設けておいてもよい。
【００４９】
本発明の第３実施形態を図７に示す。図７は冷却サイクルの概略構成図である。
【００５０】
第３実施形態では、高温側第２循環回路１００に第２の熱交換部１０５を形成した。熱交換部１０５は熱交換部１０３のさらに下流側にあり、高温側凝縮器６２を強制空冷する送風機９１の吹き出し側に配置されている。送風機９１は除霜期間中循環ポンプ１１０と共に運転される。これにより、外気の持つ熱を積極的に高温側第２循環回路１００に受熱させ、要防露部１２０に伝える温熱を確保することができる。高温側凝縮器６２や低温側蒸発器７２と同様、熱交換部１０５にフィンを設けておいてもよい。
【００５１】
第３実施形態の構成では、高温側第１循環回路６０の放熱用に設けられた送風機９１を高温側第２循環回路１００の受熱用に兼用しているから、高温側第２循環回路専用の送風機を設けずに済み、コストを削減できる。また、スターリング冷凍機５０の運転中は高温側凝縮器６２からの放熱を高温側第２循環回路１００に受熱させ、高温側第２循環回路１００内の二次冷媒を十分に加温することができる。
【００５２】
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】
【００５３】
本発明は、スターリング冷凍機を搭載し、そのスターリング冷凍機の廃熱の一部を結露防止に利用する冷却庫に広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】冷却庫の垂直断面図
【図２】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】高温側第２循環回路の配管経路を説明する斜視図
【図５】高温側第１循環回路の蒸発器の断面図
【図６】本発明の第２実施形態に係る冷却サイクルの概略構成図
【図７】本発明の第３実施形態に係る冷却サイクルの概略構成図
【符号の説明】
【００５５】
１    冷却庫
１０  断熱筐体
１３  制御部
２０  冷蔵室
３０  冷凍室
４０  機械室
５０  スターリング冷凍機
５１  ウォームヘッド
５２  コールドヘッド
６０  高温側第１循環回路
６１  高温側蒸発器
６２  高温側凝縮器
６４Ｇ  気相冷媒配管
６４Ｌ  液相冷媒配管
７０  低温側循環回路
７１  低温側凝縮器
７２  低温側蒸発器
７３  除霜ヒータ
９１  送風機
１００  高温側第２循環回路
１０１  熱交換器
１０３、１０５  熱交換部
１０４  送風機
１１０  循環ポンプ
１２０  要防露部
１３０  ドレン皿
【図１】
2007183063.tif 000003
【図２】
2007183063.tif 000004
【図３】
2007183063.tif 000005
【図４】
2007183063.tif 000006
【図５】
2007183063.tif 000007
【図６】
2007183063.tif 000008
【図７】
2007183063.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成19年3月12日(2007.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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高温側蒸発器を介して庫外に放熱する高温側第１循環回路と、
前記高温側第１循環回路と独立して設けられ、前記高温側第１循環回路の温熱の一部を冷却庫壁の要防露部に伝える高温側第２循環回路と、
を備え、
前記高温側第２循環回路は前記高温側第１循環回路の気相冷媒配管に熱接続され、
前記高温側第２循環回路内に封入された冷媒を、外部に露出した熱交換部を通して循環させる循環ポンプを前記高温側第２循環回路に設け、
前記低温側蒸発器の除霜時に前記循環ポンプを運転することを特徴とする冷却庫。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
（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高温側蒸発器を介して庫外に放熱する高温側第１循環回路と、前記高温側第１循環回路と独立して設けられ、前記高温側第１循環回路の温熱の一部を冷却庫壁の要防露部に伝える高温側第２循環回路と、を備え、前記高温側第２循環回路は前記高温側第１循環回路の気相冷媒配管に熱接続され、前記高温側第２循環回路内に封入された冷媒を、外部に露出した熱交換部を通して循環させる循環ポンプを前記高温側第２循環回路に設け、前記低温側蒸発器の除霜時に前記循環ポンプを運転することを特徴としている。